脉冲电絮凝处理含镉重金属废水.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 矿 冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2N 0 6 D e e e m b e r 2 0 1 2 脉冲电絮凝处理含镉重金属废水① 杨国超，肖国光，余侃萍，邓景衡 长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘 要采用脉冲电絮凝方法处理含镉重金属废水，考察了通电时间、p H 值、离子强度、电流密度及占空比等因素对溶液中c d 2 去除效果 的影响，并结合相应的计算公式核算了相应的电耗和铝板消耗。实验结果表明，在通电时间为6 0m i n ，电流密度为1 0r r A ／c m 2 ，电导率为 7 ．8m s ／c m ，占空比2 ．5 ，p H 值7 ．8 2 的条件下，C d 2 去除率达到了9 9 ．8 6 ％，电耗和铝板消耗分别为0 ．8 3 2k w h ／m 3 和1 0 0 ．7 g ／m 。 关键词废水处理；脉冲电絮凝；含镉废水；去除率 中图分类号X 7 0 3文献标识码A 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 6 0 0 5 1 0 3 T r e a t m e n to fC a d m i u m - c o n t a i n i n gH e a v yM e t a lW a s t e w a t e r b yP u l s e dE l e c t r o c o a g u l a t i o n Y A N GG u o c h a o ，X I A OG u o g u a n g ，Y UK a n p i n g ，D E N GJ i n g h e n g C h a n g s h aM i n i n ga n dM e t a l l u r g yR e s e a r c hI n s t i t u t eC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t H e a v ym e t a lw a s t e w a t e rc o n t a i n i n gC d “w a st r e a t e da d o p t i n gp u l s ee l e c t r o e o a g u l a t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c e so f p o w e r - o nt i m e ，s o l u t i o np Hv a l u e ，i o n i cs t r e n g t h ，c u r r e n td e n s i t ya n dd u t yr a t i oo nt h eC d 2 r e m o v a le f f i c i e n c yw e r e i n v e s t i g a t e d ，w i t hc o n s u m p t i o n so fe l e c t r i c i t ya n da l u m i n u mb o a r dc a l c u l a t e da c c o r d i n gt oc o r r e s p o n d i n ge q u a t i o n s ．T h e r e s u l t ss h o wt h a t ，w i t hp o w e r o nt i m eo f6 0m i n ，c u r r e n td e n s i t yo f1 0m A ／c m 2 ，c o n d u c t i v i t yo f7 ．8m s ／e m ，d u t yr a t i o o f2 ．5 ，a n dp Hv a l u eo f7 ．8 2 ，t h er e m o v a lo fC d 2 c a nr e a c h9 9 ．8 6 ％，w i t ht h ec o n s u m p t i o n so fe l e c t r i c i t ya n d a l u m i n u mb o a r do f0 ．8 3 2k W h ／m 3a n d10 0 ．7g ／m 3 ．r e s p e c t i v e l y ． K e yw o r d s w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；p u l s ee l e c t r o c o a g u l a t i o n ；c a d m i u m c o n t a i n i n gw a s t e w a t e r ；r e m o v a l 国内外学者对重金属污染治理技术进行了大量研 究。目前，已开发应用的重金属废水处理方法主要有 化学沉淀法、生物法和电化学法等J 。电化学法具有 处理效果好、运行成本低、产生污泥量少、自动化程度 高、易于操作管理和能同时去除多种污染物等优点，受 到广大环境保护治理技术专家学者的关注心J 。 在废水的电化学处理方法中，应用比较成熟的是 直流电絮凝法，但是其缺点是能耗高且电极容易钝 化旧叫o 。为了克服直流电絮凝法的缺点，将脉冲技术 与絮凝法相结合，称之为脉冲电絮凝法。这为废水处 理提供了崭新的思路∞1 。 脉冲电絮凝与直流电絮凝相比，脉冲供电可大大 节约电能。此外，脉冲电絮凝由于施加脉冲信号，电极 上的反应时断时续，有利于扩散，降低浓差极化，能够 增强废水的处理效果∞- 。本文根据氢氧化铝对重金 属的吸附规律 锌离子 铬离子 铅离子 铜离子 镉离子 。7J ，人工模拟相对较难处理的含镉废水，研究 脉冲电絮凝法处理含镉 C d 2 废水的效果。 1 基本原理 在外加电场的作用下，可溶性的阳极产生大量的 阳离子 如F e 3 、A 1 3 等 ，利用这些阳离子生成的金 属氢氧化物对废水进行凝聚沉淀的方法称为电絮凝。 同时由于电极反应产生直径很小的气泡，便于吸附系 统中直径很小的颗粒物质上浮从而使之与水分离。 以铝阳极为例，典型的电极反应如下 A l 3 e 一，A l “ 阳极 2 H 2 0 2 e 一一H 2 g 2 0 H 一 阴极 通常，铝离子和氢氧根离子以单分子或者高分子 的形式结合，如A I O H 2 ，A l O H ，A 1 O H 4 ， A 1 O H4 一，灿6 O H 1 5 3 ，A 1 7 O H 1 7 4 ，A 1 9 O H 2 0 “， A 1 。3 0 。 O H M H ，A l 。3 O H 3 4 5 ，最后形成A 1 O H ，微 絮体，这种氢氧化物微絮体的絮凝效果比药剂絮凝要 好得多坤』。同时，在阴极发生还原反应逸出的氢气形 成极小的气泡，将废水中的凝聚物夹带并浮上电解槽 的液体表面。这样就可以同时起到凝聚和气浮的作用 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 旬8 基金项目圈家科技重大专项资助课题 2 0 1 0 Z X 0 7 2 1 2 0 0 8 作者简介杨国超 1 9 7 7 一 ，男，湖北武汉人，工程师，硕士，主要从事矿产资源综合利用和废水处理研究。 万方数据 5 2矿冶工程 第3 2 卷 以除去水中污染物。这两种现象的协同可以更有效、 更快速地去除废水中的重金属污染物。 2 仪器和试剂 S M D 一3 0 型双脉冲数控双脉冲电镀电源 邯郸市 大舜电镀设备有限公司 ；P H S 一3 C 型酸度计 上海雷 磁仪器厂 ；D D S 一3 0 7 型电导率仪 上海雷磁仪器 厂 ；D J I C 一6 0 增力电动搅拌器 江苏麦普龙仪器制造 有限公司 ；毫安表c 1 9 一m A 贵州永恒精密仪表有限 公司 ；万用表D T 9 2 0 5 A 漳州安培德电子制造有限公 司 ；铝电极；不锈钢电极；温度计；硝酸镉；盐酸；氯化 钠；氢氧化钠；二次水。所有试剂均为分析纯。 3 试验方法 自制平板电极制备铝板和不锈钢板 1 0 0m m 5 0m m ，分别作为阳极与阴极组合成电极对。配制含 镉4 4 ．1m g ／L 的模拟废水。电解过程在2 5 0m L 烧杯 中进行，每次处理2 0 0m L ，低速搅拌，电解一定时间后 静置3 0m i n 取样。 溶液中C d 2 去除率计算式为 C ．一C 7 兰一1 0 0 ％ u 0 式中叩为c d 2 去除率；C o 为c d 2 初始浓度，m g ／L ；C 。 为电解时问t 后C d 2 的浓度，m g ／L 。 电耗E 计算式为 F 一竖 “ 1 口 Q 单位铝板消耗m 计算式为 一叫6 6 ‰ 式中U 为槽电压，v ；，为电流，A ；届为占空比；Q 为流 量，m 3 ／h 。 4 结果与讨论 4 ．1 通电时间对去除效果的影响 选择电极板间距为1c m ，电流密度为1 0m A ／c m 2 ， 电导率为5 ．7 4m s ／c m ，占空比为1 ．2 ，电极板有效面积 为2 1c m 2 ，考察通电时间对c d 2 去除率的影响，实验 结果如图1 所示。 从图1 可以看出，随着通电时问延长，C d 2 去除率 升高，通电时间为6 0r a i n 时，去除率达到了9 9 ．8 2 ％，即 c d 2 浓度从4 4 ．1m g ／L 降到0 ．0 8m g ／L ，达到了国家 排放标准。再延长时间，对去除率影响不大。但随着 通电时问的延长，电耗也增加，综合考虑，选择最佳通 电时间为6 0r a i n 。 通电时问／r a i n 图1 通电时间对C d “去除率的影晌 乒 基 三 ≥ 号 ＼ 寝 脚 4 ．2 溶液离子强度对去除效果的影响 电极板间距为1c m ，电流密度1 0m A ／c m 2 ，占空 比为1 ．2 ，电极板有效面积为2 1c m 2 ，通电时间为6 0 r a i n ，考察溶液的离子强度对去除效果的影响。通过测 定溶液电导率确定离子强度。电导率对c d 2 去除率 的影响见图2 。 电导率／ m s t i l l 。1 图2 电导率对C 0 2 去除率的影响 f 暑 三 言 号 ＼ 寝 脚 从图2 可以看出，电导率的增大对c d 2 去除率没 有太大的影响，但电耗明显降低。原因是当电流密度 和电极板有效面积一定时，阳极氧化速率也是一定的， 但是电导率增加，溶液导电能力增加，相应的槽电压降 低，从而电耗随之降低。选择电导率为7 ．8 0m s ／c m 为 最佳条件。 4 ．3 初始p H 值对去除效果的影响 用0 ．Im o l ／L 盐酸和0 ．1m o l ／LN a O H 调整模拟 废水的初始p H 值，通电时间为6 0m i n ，电导率为7 ．8 1 ] i s ／c m ，电流密度为1 0m A ／c m 2 ，考察不同p H 值对去 除效果的影响，结果见图3 。 由图3 可见，p H 8 ．9 4 以后，去除率呈迅速下降趋势，主要是 由于C d “在p H 9 时会返溶，返溶后的C d 表面被 带负电的O H 一包围，这样与同样带负电的A 1 O H ， 万方数据 第6 期 杨国超等脉冲电絮凝处理含镉重金属废水 胶体表面产生排斥作用。因此，废水电絮凝前应将其 p H 值调整为6 ～9 为佳。 1 0 0 ．0 9 9 ．8 9 9 ．6 享9 9 ．4 斟9 9 ．2 案9 9 ．o 9 8 ．8 9 8 ．6 9 8 ．4 9 8 ．2 p H 值 图3 初始p H 值对C d 2 去除率的影响 4 ．4电流密度对去除效果的影响 本技术的应用是以化学反应为基础的，水中离子 数量及迁移速度决定了反应的快慢，从工程应用的角 度出发，电流密度是本实验研究的重要影响因子之一。 进水p H 不调节 7 ．2 8 ，控制极板间距le m ，通电时间 为6 0m i n ，在不同电流密度下，电絮凝后溶液中c d 7 去除率随电极电流密度变化见图4 。 享 ＼ 婚 笾 玳 电流密度／ m A ．C l l f l - 2 图4 ’电流密度对C d 2 去除率的影响 由图4 可见，在初始p H 值、初始c d 2 浓度和电导 率相同的情况下，随着电极电流密度变大，C d 2 去除 率逐渐提高，然后趋于恒定。其原因在于当电流密度 较小时，电解产生的A 1 O H ，量少，只能吸附一定量 c d 2 ，并且产生的气体也较少，流速低，气泡无法负载 絮凝产生的大块颗粒。这些絮凝颗粒在重力作用下， 有向下沉降的趋势，影响去除效果。在电流密度较小 的情况下，烧杯中的溶液仍呈现轻微的浑浊状态，即形 成的微小胶体颗粒没有被浮上。随着电极电流密度增 大，产生的A 1 O H ，和气泡量增加，气泡密度增大，流 速提高，从而加强了A I O H ，胶体与气泡碰撞的几率， 达到提高絮凝效果的作用。但气泡密度过大，一方面， 它会破坏已经形成的絮凝颗粒，使去除效果变差；另一 方面，气泡也会聚集长大，不利于电絮凝，同时电耗和 铝板消耗大幅度上升。因此，电流密度也不应该无限 制地提高，选择电流密度为1 0m A ／c m 2 比较合适。 4 ．5 占空比对去除效果的影响 本实验采用脉冲电源的目的是为了在电浮选过程 中防止电极极化、钝化现象产生，同时降低电耗。占空 比是表征脉冲电源的参数，以电源断通电时间之比来 表征。在初始浓度、电导率、电流密度和p H 值相同的 情况下，考察占空比对C d 2 去除效果的影响，结果见 图5 。占空比对电耗和铝板消耗的影响见图6 。 乒 暑 如 邑 艇 筵 鳝 躲 占空比 图5 占空比对C d 2 去除率的影响 1 ．O 1 ．2 1 ．41 ．61 ．s2 ．02 ．22 ．42 ．62 ．83 ．O 3 ．2 占空比 图6占空比对电耗与铝板消耗的影响 毛 三 若 邑 ＼ 犍 脚 从图5 可以看出，占空比在2 ．5 以内时，随着占空 比的增大，去除率基本没有变化，在占空比超过2 ．5 时，去除率开始下降。占空比较小时，断电时间比较短 暂，不影响电絮凝的反应过程，能够确保A l O H ，胶 体与带负电荷气泡碰撞几率，形成带负电荷的胶体，也 能保证带正电荷的C d 2 与胶体充分吸附。当占空比 增大到一定值后，断电时间延长，产生的气泡量不足， 降低了去除效果。但从图6 可见，随着占空比增大，电 耗和铝板消耗也随之降低。因此，选择占空比为2 ．5 比较合适，此时电耗和铝板 肖耗分别为0 ．8 3 2k W h ／m 3 和1 0 0 ．7 ∥I n 3 ，相比明显低于直流电源的电耗和铝板 消耗 1 0 ．0 7k w h ／m 3 和10 8 0g ／m 3 1 1 “。 下转第5 7 页 0 8 6 4 2 O 8 6 4 2呲gi蛾眇蛐势孵孵鳃螺 万方数据 第6 期魏有林等某3 0 万吨铜选矿厂带负荷试车工艺技术指标分析 混入，其次有少量的脉石混入，除原矿品位偏低对精矿 品质有影响外，黄铁矿未能有效抑制也是导致精矿品 位偏低的因素㈦。 3 试车过程中存在的问题及解决措施 综合以上分析，本次联动负荷试车得到的工艺指 标与设计指标相比有差距，主要体现在由于原矿品位 比设计指标低1 ．5 6 个百分点，导致工艺控制过程特别 是药剂控制参数调整不够准确，对选矿比及精矿品位 都有不良影响。根据本次联动负荷试车工艺指标分析 及现场设备运行情况，提出如t - 解决措施 1 本次联动负荷试车人选矿石品位较低，仅为 0 ．5 ％，与选厂设计矿石品位相差较大，难以生产出满 足设计指标的合格精矿。在后续的生产过程中，对于 入选矿石的品位加以控制，将不同品位的矿石进行配 矿，保证入选矿石品位的稳定性。 2 该选厂设计矿石品位为2 ．0 6 ％，而本次试车 原矿石品位为0 ．5 ％，设计流程是针对品位较高矿石 设计的。在后续的生产过程中，对于低品位矿石在流 程不变的基础上对流程参数进行优化。对于低品位矿 石需从浮选时间、浮选药剂用量、磨矿粒度、矿浆浓度 等方面进行优化，确定合适的流程参数。 3 从精矿产品矿相中可以看出，在铜精矿中还有 较多的黄铁矿，影响精矿品位。由于该选厂主要处理 的铜矿石是铁矿石的伴生铜矿，所以铜矿物的伴生矿 物以铁矿物为主，而该选厂选用的浮选药剂对黄铁矿 没有较好的抑制作用，使得精矿产品中还有较多的黄 铁矿，从而影响了精矿品位。在后续生产过程中应通 过添加新的浮选药剂，抑制黄铁矿的浮出，从而保证精 矿品位。 4 由于该选厂在高海拔地区，冬季生产过程中存 在捕收剂低温环境下结晶的问题，严重影响了正常的 加药。在生产过程中，通过对药剂进行加热及在加药 管道上缠绕保温带，使得捕收剂不发生低温结晶，保证 浮选过程稳定。 4 结论 通过对3 0 万吨铜选厂负荷试车工艺指标进行分 析，发现存在精矿品位较低、捕收剂低温环境下结晶等 问题。在后续生产过程中通过采取添加新的浮选药 剂、在加药管道上缠绕保温带等措施，使得上述问题得 以解决。纵观整个流程，从磨矿到最终的尾矿作业，流 程顺畅，能够生产出满足设计指标的合格产品。 参考文献 [ 1 ]兰州有色冶金设计研究院有限公司．酒钢镜铁山3 0 万吨铜选厂 设计[ R ] ．2 0 1 0 ． [ 2 ] 谢广元．选矿学[ M ] ．徐州中国矿业大学出版社。2 0 0 1 ， 上接第5 3 页 5 结论 1 采用脉冲电絮凝法去除废水中的c d 2 ，效果 明显，操作简便。结合能耗、实际操作及c d 2 去除率 等三方面因素，电絮凝法处理含镉废水的最佳工艺条 件为通电时间6 0m i n ，电流密度1 0m A ／c m 2 ，电导率 7 ．8m s ／c m ，占空比2 ．5 ，初始p H 值7 ．8 2 。此时废水 中c d 2 的去除率可达到9 9 ．8 6 ％，达到了国家排放标 准要求。 2 采用脉冲电源后的电耗和铝板消耗分别为 0 ．8 3 2k w h ／m 3 和1 0 0 ．7 ∥m 3 ，明显低于采用直流电源 的电耗和铝板消耗。 参考文献 ， [ 1 ] 胡志军，李友明．环境友好的电化学水处理技术[ J ] 西南造纸， 2 0 0 6 ，3 5 3 1 3 一1 5 ． [ 2 ] 刘绍忠．电化学法处理重金属废水的应用研究[ J ] ，工业水处 理，2 0 1 0 ，3 0 2 8 6 8 8 ． [ 3 ]徐旭东，王中琪，周乃磊．不锈钢- 铝电极电絮凝处理含铜废水的 试验研究fJ ] ．安全与环境工程，2 0 1 0 ，t 7 2 4 6 5 0 ． [ 4 ] 冯俊生，许锡炜，汪一丰．电絮凝技术在废水处理中的应用L j ] ． 环境科学与技术，2 0 0 8 8 8 7 8 9 ． [ 5 ] P e t e rKH o l t ，G e o f f r e yWB a r t o n ，C y n t h i aA ．M i t c h e l l ．T h ef u t u r ef o r e l e c t r o c o a g u l a t i o n a sal o c a l i s e dw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y [ J ] ． C h e m o s p h e r e ，2 0 0 5 ，5 9 3 5 5 3 6 7 ． [ 6 ]张伟方，罗亚田．脉冲电絮凝在废水处理中的应用[ J ] ．四川化 工，2 0 0 6 ，9 3 4 8 5 0 ． [ 7 ]李小云。王丽萍．氢氧化铝对重金属离子的吸附性能研究[ J ] ． 光谱试验室，2 0 1 0 ，2 7 2 4 0 8 4 1 2 ． [ 8 ] K o m t a n t i n o sD e r m e n t z i s ，A c h i l l e a sC h r i s t o f o r i d i s ，E v g e n i aV a l s a m i d O U ．R e m o v a lo fn i c k e l ，c o p p e r ，z i n ca n dc h r o m i u mf r o ms y n t h e t i ca n d i n d u s t r i a lw a s t e w a t e rb ye l e c t r o c o a g u l a t i o n [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a l o f E n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s ，2 0 1 1 ，1 5 6 9 7 7 1 0 ． [ 9 ] 储金宇，史兴梅，杜彦生，等．电絮凝法处理电镀废水中C ， 、 C u “、Z n 2 的试验[ J ] ，江苏大学学报 自然科学版 ，2 0 1 1 ，3 2 1 1 0 3 1 0 6 ． [ 1 0 ] B u m sSE ，Y i a c o u m iS ，T s o u r i sC ．M i c r o b u b b l eg e n e r a t i o nf o re n v i r o n m e n t a la n di n d u s t r i a ls e p a r a t i o n s 【J ] ．S e p a r a t i o na n dP u r i f i c a t i o n T e c h n o l o g y ，1 9 9 7 ，1 1 3 2 2 l 一2 3 2 ． 【“] F e r y a lA k b a l ，S e l v aC a m m ．C o p p e r ，c h r o m i a ma n dn i c k e lr e m o v a l f r o mm e t a lp l a t i n gw a s t e w a t e rb ye l e c t r o c o a g a l a t i o n [ J ] ．D e s a l i n a t i o n ，2 0 1 l ，2 6 9 1 3 2 1 4 2 2 2 ． 万方数据