电絮凝-膜过滤技术处理含铜废水的研究.pdf

电絮凝 － 膜过滤技术处理含铜废水的研究 * 李富华吕文英刘国光姚琨林亲铁黄浩平康亚璞 广东工业大学环境科学与工程学院， 广州 510006 摘要 为了有效控制重金属废水对环境的污染， 采用电絮凝 － 膜过滤技术处理含铜废水， 考察了进水 pH、 电极电流密 度和水流量对铜去除率的影响。结果表明 该技术的最佳进水 pH 值为 5. 8， 电极电流密度为 10 A/m2， 水流量为 2 L/min。在此条件下， 对不同浓度的含铜废水进行处理， 铜去除率均在 95 以上， 最高可达 99. 02。由此可见， 电 絮凝 － 膜过滤技术对含铜废水具有良好的处理效果。 关键词 含铜废水; 电絮凝; 膜过滤; 组合技术; 水处理 DOI 10. 7617/j. issn. 1000 －8942. 2013. 04. 009 STUDY ON TREATING WASTEWATER CONTAINING COPPER BY ELECTROCOAGULATION- MEMBRANE FILTRATION TECHNOLOGY Li FuhuaL WenyingLiu GuoguangYao KunLin QintieHuang HaopingKang Yapu School of Environmental Science and Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China AbstractTo control the pollution of heavy metal ionic wastewater to the environment effectively，combination technique has been a growing trend in recent years． This paper examines the influences of inflow pH，electrode current density and flow rate on removal rate of copper during the electrocoagulation- membrane filtration processing of copper containing wastewater． The results show that the optimal value of inflow pH is 5. 8，the electrode current density is 10 A/m2and the flow rate is 2 L/min． To process the copper containing wastewater of different concentrations on such conditions，the removal rate of copper is over 95 on average and can be up to 99. 02． This proves the good effect of electrocoagulation- membrane filtration technology to treat wastewater containing copper． Keywordswastewater containing copper;electrocoagulation;membrane filtration;combination technique;water treatment * 国家水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07211- 005- 03 ; 精 细化工废水脱毒减排与深度处理回用技术研究与工程示范。 0引言 铜具有一定的生物毒性， 且在自然界中不能够被 降解， 高浓度的含铜废水排放到自然水体中， 会直接威 胁到水生生态以及通过食物链富集从而危害人类的身 体健康。赵永等人采用管式微滤 RO 膜过滤技术对 PCB 厂重金属废水进行处理回用， Cu2 去除率为 99. 97［ 1 ］。李磊等使用微电解 － 化学沉淀法处理高 浓度含铜废水， 铜去除率达 99. 9以上 ［ 2 ］。邱运仁等 使用络合 － 超滤技术处理含铜废水， 在溶液 pH 6、 P/M 22 条件下， Cu2 截留率达97以上 ［ 3 ］。 本文将电絮凝 － 膜过滤技术用于含铜废水的处 理， 效果显著。此联用技术在国内含铜废水处理中较 少， 本研究对于该技术在国内的推广应用具有很好的 指导意义。 1实验部分 1. 1实验装置 实验装置由荷兰某公司提供， 装置示意图如图 1 所示， 主要包括电絮凝、 超滤和纳滤三个操作单元。 电絮凝反应槽的容积为 1. 2L， 内有两块平行放置的 铁电极， 尺寸为20 cm 3 cm 0. 3 cm， 两电极的间距 为 0. 3 cm。 1. 2实验及检测方法 将硝酸铜溶解于去离子水中配制含铜的模拟废 水， 用硝酸调节 pH 后备用。调节水流量和电絮凝的 电流密度。运行 5 min 后收集超滤出水进行纳滤处 理， 纳滤运行 5 min 后收集出水。纳滤完成后关闭装 置， 取适量原水、 超滤出水和纳滤出水用硝酸进行消 23 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 图 1实验装置示意 Fig．1Schematic diagram of experimental setup 解， 然后适当稀释， 采用火焰原子吸收分光光度计 Z- 2000 型， 日本日立 HITACHI 株式会社 测定水样中 铜的含量。标准曲线为 y 0. 0213x， R20. 9999。计 算铜去除率时， 超滤和纳滤的去除率都是以原水的铜 浓度为原始浓度来计算。 1. 3电絮凝反应机理 电絮凝又称电凝聚，即在外电压作用下，利用 可溶性阳极产生大量阳离子，对胶体废水进行凝聚 沉淀。通常选用铁或铝作为阳极材料［4 ］。 1. 4膜过滤机理 膜过滤技术利用具有选择透过性的薄膜， 在一定 外推动力作用下使溶液中的溶质和溶质， 溶质和溶剂 分离， 达到提纯、 浓缩和净化的目的［5 ］。 2结果与讨论 2. 1进水 pH 值的影响 在 Cu2 质量浓度为 30 mg/L， 电流密度为 50 A/ m2， 水流量为 2 L/min 的条件下， 考察进水 pH 对铜 去除率的影响， 进水 pH 值变化范围在 4 ～8， 结果如 图 2 所示。 图 2进水 pH 对铜去除率的影响 Fig．2Influence of initial pH on copper removal efficiency 由图 2 可知 进水 pH 值比较低时， 超滤对铜的 去除率比较低。随着进水 pH 值的升高， 超滤的去除 率逐渐升高。当进水 pH 值 ＞6 时， 超滤去除率明显 提高， 进水 pH 值 8 时铜去除率达 99. 82。由氢 氧化铜的溶度积常数为 2. 2 10 －20可知， 当溶液中铜 浓度为 30 mg/L 时， pH 值超过 5. 84 时， 就会产生氢 氧化铜沉淀。沉淀颗粒的粒径较大， 大部分均被超滤 膜截留， 所以进水 pH 值 ＞ 6 时铜去除率明显提高。 纳滤实验， 在 pH 值范围内， 铜去除率一直维持在 98以上。可见， 经过电絮凝处理后， 产生的絮体基 本上被纳滤膜完全截留。铁电极处理废水的最适宜 pH 值为 6 ～7， 过高则易引起阳极钝化， 过低时水中 的铁离子含量增大 ［6 ］。为了区别于沉淀法和减缓铁 电极的消耗， 经综合考虑， 最佳进水 pH 值为 5. 8。 2. 2电流密度对超滤的影响 在 Cu2 质量浓度为30 mg/L， 进水 pH 为5.8， 水流 量为2 L/min的条件下， 考察电流密度对超滤的影响， 电 极电流密度变化范围在0 ～50 A/m2， 结果如图3 所示。 图 3电极电流密度对超滤去除率的影响 Fig．3Influence of current density on UF removal efficiency 由图3 可知 电流密度比较小时， 铜的去除率随电 流密度的增大迅速升高， 电极电流密度为 10 A/m2时 超滤效果最好， 铜去除率为19. 56。随着电流密度的 继续提高， 铜去除率呈下降趋势， 50 A/m2时铜去除率 仅3. 15。电流密度小的情况下， 电流密度增大， 单位 时间内阳极产生的 Fe2 和 Fe3 会增多， 絮凝作用增 强 ［ 7 ］。继续增大电流密度， 会使极板间产生的气泡过 多， 减少了极板的有效面积， 降低系统的处理效率 ［ 8 ］。 同时， 铁阳极极板中碳 －铁之间可形成微电池， 在强电 流密度下极化程度增加， 发生钝化失去活性 ［ 9 ］。综合 考虑， 电极电流密度取10 A/m2为宜。 2. 3水流量对超滤的影响 在 Cu2 质量浓度为30 mg/L， 进水 pH 值为5.6， 电 极电流密度为10 A/m2的条件下， 考察水流量对超滤的 影响， 水流量变化范围在1 ～3 L/min， 结果如图4 所示。 由图 4 可知 水流量为 1 L/min 时， 铜去除率最 33 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期 图 4水流量对超滤去除率的影响 Fig． 4Influence of water flow on UF removal efficiency 高， 为 21. 97。随着水流量的增加， 铜去除率呈下 降趋势， 2. 5 L/min 时去除率最低， 为 5. 75， 随后有 所上升。水流量越小， 电絮凝的停留时间就越长， 电 絮凝和金属沉积作用越强， 同时产生的絮体也有较长 的生长时间， 所以铜去除效果比较好。另一方面， 水 流量越大， 流速越快， 对电极表面的冲刷作用越强， 电 解产生的 Fe2 扩散越快， 絮凝效果也会有所改善。考 虑到处理效率和对超滤膜的保护， 水流量取 2 L/min 为宜。 2. 4不同进水浓度的处理效果 经过以上实验， 得出该装置的最佳运行条件。在 此条件下， 考察不同进水浓度的处理效果。进水浓度 分别约为 10， 30， 50， 70， 100， 150 mg/L， 结果如表 1 所示。 表 1不同进水浓度的处理效果 Table 1The treating effect of the influent with different Cu concentrationsmg/L 进水浓度9. 88728. 99950. 21868. 33499. 900143. 145 超滤出水9. 64526. 40946. 80564. 68898. 255140. 540 纳滤出水0. 4230. 6200. 8700. 8921. 3201. 402 由表 1 可知 电絮凝处理过的废水经过超滤后， 少量的铜已经被去除， 经过纳滤后大部分铜可被去 除。虽然进水铜浓度不断升高， 但是经过该装置处理 后， 最终出水铜浓度始终维持在低水平， 说明该技术 对含铜废水具有很好的处理效果。在实验的浓度范 围内， 铜去除率均在 95 以上， 最高可达 99. 02。 王君等人的研究表明超滤不但可以提高纳滤膜通量， 延长纳滤膜的冲洗时间及使用寿命， 而且可以提高纳 滤膜的出水水质 ［10 ］。 3结论 1电絮凝 － 膜过滤技术处理含铜废水的效果受 进水 pH、 电极电流密度和水流量等多方面因素的影 响。通过实验， 确定装置的最佳进水 pH 值为 5. 8， 电 极电流密度为 10 A/m2， 水流量为 2 L/min。可见， 该 技术处理含铜废水时所需要的电极电流密度低， 节省 电能， 可降低废水的处理成本。同时， 水流量较大， 水 力停留时间短， 处理效率高， 适合废水量大或者可利 用空间有限的企业使用。 2电絮凝 － 膜过滤技术具有操作简便， 易于维 护和出水水质稳定等优点。在最佳运行条件下， 对不 同浓度的含铜废水进行处理， 铜去除率均在 95 以 上， 最高可达 99. 02， 效果显著。 3与化学絮凝相比， 电絮凝具有无需投加化学药 剂、 污泥产量小等优点。膜过滤技术的应用则明显地 缩短了水力停留时间， 提高处理效率的同时也提高了 出水水质。电絮凝和膜过滤技术的巧妙结合解决了传 统处理方法中存在的诸多问题， 具有较强的优势。 参考文献 ［1］赵永． 连续管式微滤 RO 膜过滤技术在 PCB 行业重金属废水 回用中的应用［J］ ． 环境工程， 2012， 30 2 17- 19. ［2］李磊， 侯文， 徐炎华． 微电解 － 化学沉淀法处理高浓度含铜废水 的试验研究［ C］∥2006 年中国环境科学学会学术年会优秀论 文集． 苏州 中国环境科学学会， 2006 2087- 2092. ［3］邱运仁， 曾珍花， 郜国英， 等． 络合 － 超滤技术处理含铜废水 ［ C］ ∥中国化工学会 2009 年年会暨第三届全国石油和化工行 业节能节水减排技术论坛论文集． 广州 中国化工学会， 2009 179- 181. ［4］杨继东， 赵勇胜， 赵晓波． 电絮凝预处理垃圾渗滤液的可行性研 究［J］． 环境工程， 2006， 24 5 29- 30， 37. ［5］王湛．膜分离技术基础 ［ M ］ ． 北京 化学工业出版社， 2000 1- 10. ［6］胡志军， 李友明． 环境友好的电化学水处理技术［J］ ． 西南造 纸， 2006， 35 3 13- 15. ［7］陆鑫， 杨禹， 郝继东， 等． 电絮凝 － 超滤集成技术处理洗浴废水 ［ J］ ． 辽宁化工， 2009， 38 4 251- 253. ［8］张雨山， 王树勋， 王静， 等． 电絮凝净化海水过程中电流效率和 总磷去除率的研究［J］． 工业水处理， 2010， 30 12 52- 55. ［9］刘峥， 韩国成， 王永燎． 钛 － 铁双阳极电絮凝法去除电镀废水 中的铬 Ⅵ［J］． 工业水处理， 2007， 27 10 51- 54. ［ 10］王君， 黄瑞敏， 黄黎明， 等． 超滤作用纳滤预处理用于印染废水 回用效能研究［J］ ． 水处理技术， 2011 3 76- 78. 作者通信处李富华510006广东省广州市番禺区广州大学城外 环西路 100 号广东工业大学环境科学与工程学院 B62 信箱 电话 020 39322547 E- mailfuhualee163． com 2012 －10 －10 收稿 43 环境工程 2013 年 8 月第 31 卷第 4 期