鋁鈦電極電絮凝法處理造紙廢水工藝及機理的研究.pdf

1、電絮凝是在外加電場作用下，可溶性陽極材料產(chǎn)生大量金屬離子與水中的氫氧根生成一系列多核羥基絡(luò)合物和氫氧化物，將水體中污染物絮凝沉淀，得到凈化的技術(shù)。電絮凝技術(shù)兼有電化學(xué)氧化、電化學(xué)還原、絮凝和氣浮四種作用，具有去除污染物種類多、去除效率高、二次污染較少、工藝和設(shè)備簡單、可操控性好等諸多優(yōu)點，在國內(nèi)外備受關(guān)注。然而電絮凝技術(shù)目前仍存在著電流效率較低、能耗較大等問題，這限制了其在造紙廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，探討電絮凝技術(shù)處理造紙廢水的機理，

2、尋找適宜的電極材料是擴大其在造紙廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用亟需解決的問題。
　　本文采用陜西某造紙廠三種污染負(fù)荷不同的廢水，研究了電極材料、電流密度、電解時間對CODCr去除率、色度去除率等指標(biāo)的影響；探討了有機污染物的電解機理及無機物的去除歷程、測算了其處理成本。主要內(nèi)容及結(jié)果如下：
　　1.陰、陽極電極材料的優(yōu)選。電極材料是影響電絮凝處理廢水效果的最主要影響因素，通過采用石墨、純鋁等分別作為陽極；鈦板、不銹鋼板等分別作為陰極，對該

3、造紙廠的廢水原水進行電絮凝處理，對比分析不同陰陽極極板組合時廢水的CODCr（化學(xué)需氧量，Chemical Oxygen Demand）去除率和色度去除率。結(jié)果表明：鋁鈦電極組合對造紙廢水的 CODCr、色度去除率分別為61％和97.5%，明顯高于其它組合，故選該電極組合作為電絮凝實驗裝置的陰陽極。
　　2.電絮凝處理工藝的優(yōu)化。采用鋁鈦電極組合，電絮凝處理陜西某造紙廠不同污染負(fù)荷的廢水，分析電流密度、電解時間對CODCr去除率、

4、色度去除率等指標(biāo)的影響，研究結(jié)果表明：
　　（1）電絮凝處理造紙廢水原水時，電流密度為12mA/cm2，電解時間90min，極板間距為20mm時，處理效果較佳，CODCr、色度、懸浮物去除率分別為62.4%、99.2%和100%；處理1m3廢水的電耗為21.4kW·h，鋁耗為0.769kg，鋁耗和電耗成本約25.5元/m3廢水，處理后CODCr為278mg/L，未達(dá)到GB3544-2008排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）電絮凝處理造紙

5、廢水一沉池出水，在電流密度13mA/cm2、電解時間60min、極板間距20mm時，CODCr、色度和懸浮物去除率分別為89.4%、98.6%和100%。處理1 m3廢水的電耗為16.3kW·h，鋁損耗為0.569kg。電耗和鋁耗成本約20元/m3廢水。所測指標(biāo)達(dá)到GB3544-2008排放標(biāo)準(zhǔn)。
　?。?）針對目前造紙企業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)提高的現(xiàn)狀，對造紙廢水二沉池出水進行了電絮凝深度處理。在電解時間45min、電流密度3.17mA

6、/cm2、極板間距10mm的工藝條件下，CODCr去除率達(dá)到93.8%；色度去除率達(dá)82.4%；懸浮物去除率100%，氨氮去除率為23.9%；AOX（可吸附有機鹵化物，Absorbable Organic Halogens）去除率為63%。處理1m3廢水需要消耗鋁板0.075kg，電耗為0.44kW·h。鋁耗和電耗成本約為1.43元/m3廢水。這幾項指標(biāo)達(dá)到GB3544-2008排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　3.電絮凝過程對造紙廢水二沉池出水中

7、有機物的反應(yīng)行為。利用某些基團可在陰、陽極極板表面發(fā)生電氧化或電還原的反應(yīng)能力，分析廢水在處理前后的有機物成分變化。（1）對電凝處理前后的造紙廢水二沉池出水進行氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）分析，發(fā)現(xiàn)處理后廢水中有機物種類和含量得到降低；苯酚類由4種降為0種，大大降低了廢水的色度和毒性。烷類由29種變?yōu)?0種，相對含量由45.628%升高至73.553%。烯烴類由9種降至5種，烯烴類有機物在鈦陰極發(fā)生加成反應(yīng)，還原為烷烴，使烷烴相對含量增加。酯

8、類由12種減少到6種；醇類由于發(fā)生水解反應(yīng)，由6種增加到9種。（2）通過對絮凝物、鈦板吸附物進行熱重-氣質(zhì)聯(lián)用（TGA-GC-MS）分析，發(fā)現(xiàn)絮凝物中有機物含量約為35.78%，鈦板吸附物中有機物含量僅占到5.05%。一些基團如硝基、酰胺基、偶氮基等可吸附到鈦陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)生成胺基并吸附在其表面，部分胺基由于極板表面氫氣氣泡的沖擊作用而脫落，被鋁羥基絡(luò)合物捕獲，從而構(gòu)成絮凝物中有機物的主要組成部分，使廢水的 CODCr、氨氮含量下

9、降。另外，鹵代有機物中的鹵素不僅可以通過陽極氧化法被羥基自由基取代，還可以通過陰極還原法被 H取代，發(fā)生脫鹵反應(yīng)，降低了AOX值。研究證明：鈦板不僅易發(fā)生析氫反應(yīng)，生成大量微小氣泡，產(chǎn)生電氣浮作用去除一部分懸浮物，而且可吸附一些有機污染物到其表面發(fā)生還原反應(yīng)，使之降解為小分子甚至是二氧化碳和水，使廢水的CODCr、氨氮含量、色度降低。
　　4.建立了無機離子在電絮凝處理過程中的反應(yīng)歷程模型。廢水中陰離子的大量聚集，會引起廢水回用過

10、程中陰離子垃圾污染問題。通過原子吸收分光光度法、硝酸銀滴定法、鉻酸鋇分光光度法測定了電絮凝處理前后廢水中無機離子的類型及含量，結(jié)果表明：廢水中的 Fe2+可沉積到陰極表面或與水中的 OH-形成絡(luò)合物，與鋁絡(luò)合物一起凈化廢水。Ca2+、Mg2+與水中的 OH-、CO32-、SO42-結(jié)合，生成水垢沉積在陰極；或與 SO42-、CO32-等結(jié)合生成沉淀物，與鋁的絡(luò)合物發(fā)生絮凝。Mn4+、Cu2+可通過共絮凝方式去除；處理后的水中不含Al3+

11、、Fe2+、Mn4+、Cu2+等離子，不會出現(xiàn)有些研究者所擔(dān)心的Al3+殘留問題。
　　5.電絮凝過程對鋁板壽命影響的研究。鋁板的電解行為是電絮凝處理成本最重要的影響因素。鋁板的 FE-SEM（場發(fā)射掃描電子顯微鏡，F(xiàn)ield Emission Scanning Electron Microscope）分析表明：電絮凝法處理造紙廢水過程中，鋁板表面電解不均勻，且由于Cl-的作用發(fā)生了孔蝕；孔蝕的程度隨著電解時間的延長而加深。廢水中

12、的Cl-通過對流、擴散的方式在鈍化膜的缺陷處吸附，并與鈍化膜發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性的Al(OH)2Cl2-，從而鈍化膜受到局部的破壞溶解，甚至出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。
　　基于以上研究結(jié)果，采用該實驗裝置對陜西另一家造紙廠的廢水以及某高校的生活污水進行了電絮凝處理，處理后水質(zhì)的 CODCr、氨氮含量、色度達(dá)到了現(xiàn)行的排放標(biāo)準(zhǔn)。
　　另外，對比分析目前較常用的造紙廢水深度處理方法—Fenton氧化法，電絮凝技術(shù)具有色度去除率高、無需化