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电凝技术去除造纸废水中污染物的研究

行业资讯浏览次数:787发布时间:20-09-24

造纸业是与国民经济息息相关的产业,也是世界范围内水污染控制的重要产业.目前,造纸废水对环境的危害仅限于消除常规废水处理指标,如COD,BOD,悬浮固体和色度.但是,研究发现造纸废水中含有微量的有毒污染物,尤其是持久性有毒有害有机污染物,例如多环芳烃(PAHs)和无氯苯酚(PCP).这些污染物对生态环境和人类造成危害.它不仅对水中各种营养能量水平的生物具有明显的急性和亚急性毒性,而且对人体具有遗传毒性和潜在的致癌性.

目前,为实现造纸废水的深度处理,国内外普遍采用砂滤,活性炭过滤和多媒体过滤等预处理工艺,但这些工艺难以经济有效地实现.去除废水中的有机污染物.

目前,电絮凝工艺已应用于不同工业废水的深​​度处理,并显示出良好的污染物去除能力,但对其造纸废水深度处理的效果和机理进行了研究.仍然非常缺乏..着重研究了电絮凝技术对造纸废水中难降解有机污染物和某些无机污染物的去除效果及机理,为造纸废水的电设计和优化提供参考.-絮凝处理过程.

1实验材料和方法

1.1实验水

实验中使用的造纸废水取自再生纸二次沉淀池的出水在我国北部的工厂.废水pH = 7.75,COD 210.2 mg / L,总有机碳52.8 mg / L,总硬度790 mg / L,无机碳211.2 mg / L,铬11.1μg/ L,砷14.1μg/ L,锰192.5μg/

1.2电絮凝装置和反应

电絮凝反应器是一种自行设计的有机玻璃容器,有效容积为1.5L.阳极和阴极由下列材料制成:铁或铝板,并且电极以单极方式连接.电极的有效面积为70平方厘米.

在电絮凝过程中,每批处理量为1 L,电极间距为10 mm,并调节电流密度,有效电极面积体积比,pH等根据实验要求.电流由恒定电流和恒定电压电源(Dahua,MC-100 / 5)控制,输出电压范围为0-50 V,输出电流范围为0-5A.重复了所有电絮凝实验3时间来确定实验结果的可重复性.

1.3分析测试设备

采用日立F-4600荧光色谱仪分析造纸废水中的荧光光谱.用Elementar Liqui TOC II总有机碳分析仪测量TOC,用WTW pH / Oxi340i多参数分析仪测量pH,用联华多功能检测仪测量COD.

通过电感耦合等离子体质谱仪(美国安捷伦7700)分析了水样中溶解的金属元素(如铬)的含量.水中的硬度通过EDTA络合滴定法测试.在测量之前,用0.45μm的孔膜过滤水样品,以除去水样品中的颗粒杂质.

2实验结果与讨论

2.1电凝条件对造纸废水总有机碳去除率的影响

(1)电极材料

< p>在电极间距为10 mm,电流密度为40 mA / cO,有效电极面积/体积比为0.16 cm-1,反应时间为80分钟的条件下,电极材料的效果对造纸废水的总有机碳去除率进行了研究.1.

电絮凝电极材料对造纸废水中TOC的去除率有显着影响.通常,随着电絮凝时间的延长,TOC的去除首先迅速增加,然后缓慢增加.

以铁为阳极的TOC的去除率略高于以铝为阳极的TOC的去除率.在开始的10分钟内,两个电极的TOC去除率迅速提高,达到33.1%(铁电极)和25.5%(铝电极),两者之间的差距最大.之后,TOC去除率逐渐稳定.最终的TOC去除率差距也大大减少.电絮凝处理80分钟后,电极为铝时,TOC去除率为45.1%,铁为46.9%.

根据电絮凝原理,铁电极的电化学氧化反应将在废水中产生多核多羟基铁或亚铁络合物离子.这些离子可与有机污染物反应形成沉淀,从而降低水中有机污染物的浓度.从反应机理来看,当阳极为铝时,电极的氧化过程更加复杂,Al3 +首先在阳极发生反应并形成,然后水解形成Al(OH)2 +,Al(OH)2+, Al(OH)3和各种多核水解产物.

此外,电絮凝过程中水溶液的pH值也会影响铝的水解产物,进而影响絮凝物沉淀和去除污染物.综上所述,铁铝电极的反应产物,溶液的pH值,氧化程度等都会影响造纸废水污染物的降解和去除.因此,在80分钟的电凝过程中,铁和铝电极表现出不同的去除效果.

(2)有效电极面积/体积比

在电凝反应过程中,有效电极面积/体积比不仅会影响污染物的去除效果,还会影响电极消费率.

从图1可以看出,反应40分钟后,铁电极和铝电极的去除速率趋于稳定,而过长的反应时间并不能提高去除效果.因此,实验选择了40分钟的处理结果进行分析.实验条件:电极间距设置为10 mm,电流密度为40 mA / cm2,pH为原水值,每批处理量为1L.实验选择电极的有效面积比0.08〜0.16 cm-1用于比较分析.反应40分钟后的结果如图2所示.

从图2可以看出,TOC去除率在不同的有效电极面积体积比条件下,电流变化显着.在三个平行实验中,TOC去除率随面积体积比的增加而增加.当有效电极面积/体积比为0.08cm-1时,对应于铁阳极的电絮凝的有机物的去除率为38.1%,铝电极的去除率为34.5%.当有效电极面积体积比增加到0.16 cm-1时,铁电极和铝电极的去除率分别上升到42.1%和39.1%.

从反应机理的角度来看,在铁电极的电絮凝过程中,当阳极被氧化时,二价或三价铁离子将连续释放到溶液中,然后这些离子与反应生成Fe(H2O)63 +,Fe(H2O)5(OH)2+或Fe2(H2O)8(OH)24+.价态不同的铁絮状物的形成对去除有机污染物具有重要影响.相比之下,铝电极的铝溶解量也随着有效电极体积比的增加而增加,导致总有机碳去除率的增加.由于电絮凝反应过程中铝电极的水解产物比较复杂,在实际实验过程中,铝电极电絮凝溶液的pH值随着处理时间的增加而增加,从7.75提高到10.2.原始解决方案.

从文献中得知,电絮凝过程中污染物的去除更容易受到pH值的影响,因此会影响污染物的吸附和沉淀.例如,M.Kobya等.在印染废水的电絮凝研究中发现,铝电极的COD去除率和浊度低于铁电极.原因与铝板的电解产物和溶液的pH有关.

(3)电流密度

电流密度是电絮凝过程中的主要影响因素.电流密度不仅影响废水中有机物的降解率,而且直接影响反应系统的整体运行能耗.实验选择4种不同的电流密度,即20、30、40、50 mA / cO,同时将电极间距控制为10 mm,有效电极面积与体积之比为0.16 cm-1,pH为原水值,每批处理量为1 L,电凝反应为40分钟时,TOC去除率随电流密度而变化,如图3所示.

从图3可以看出,TOC去除率随着电流密度的增加而增加.在电流密度为40mA / cm 2的条件下,铁电极的TOC去除率达到41.7%,铝电极的TOC去除率达到39.1%.但是,当电流密度从40 mA / cm2增加到50 mA / cO时,TOC去除率的增加受到限制,但是功耗会相应增加,因此本研究选择40 mA / cm2作为最佳电流密度.

(4)进水pH

进水pH也是电絮凝的关键处理参数,它直接影响电絮凝过程中絮凝物的形成和有机物的去除.在该实验中,将废水的pH值调整为4、6、8、10,其他实验参数是电流密度为40 mA / cm2,电极间距为10 mm,有效电极面积与体积比为0.16 cm-1,每批处理能力图1显示了1 L废水在电凝反应中TOC去除率随pH的变化.

从图4中可以看出,随着pH的升高,TOC的去除率会降低.

当初始pH从8.0升高到10.0时,TOC的去除率会随着pH的升高而降低.铁电极没有明显变化,而铝电极的TOC去除率却明显下降.在酸性pH条件(pH = 4)下,两个电极的TOC去除率均较高,铁电极的TOC去除率为46.3%.原因是在电絮凝过程中,酸性条件可以促进铁阳极的溶解,并促进单位时间内更多的金属离子及其羟基络合物的产生,从而提高有机物与絮凝剂的反应速度.和有机污染物的去除率.铝电极的表面在高pH反应条件下易于钝化,不利于水解,影响污染物的去除.

每批次的处理能力为1 L废水,并且实验在最佳条件下进行,即铁电极pH = 4,电流密度40 mA / cO,有效电极面积电凝30分钟后TOC去除率达到38.7%,40分钟后TOC去除率达到46.3%.

2.2分析有机污染物的去除机理

为揭示电絮凝过程中有机物的降解特性,本研究使用荧光分析仪分析了处理后的样品中的成分,造纸废水显示出五个特征荧光峰.

根据文献结果,这些峰分别对应于小分子芳香族有机污染物,腐殖酸样有机物,色氨酸样有机污染物,腐殖酸样和少量黄腐酸样混合有机物.污染物和黄腐酸样有机污染物.对电絮凝处理30分钟后的水样进行分析,发现五种有机组分的荧光强度发生了显着变化,其中小分子芳香族有机污染物和色氨酸样有机污染物的荧光强度分别增加了510% 190%,而其他三种有机物的荧光强度却有所下降.其中,腐殖酸样有机物和腐殖酸样黄腐酸混合有机物被完全去除,而黄腐酸像有机质一样强度下降了47.1%.

以上结果表明,废水中总有机污染物的去除与黄腐酸类有机物和腐殖酸类有机物的去除密切相关.这些腐殖质污染物的去除可以包括氧化和通过吸附共沉淀.

具体地,在电凝反应中,阳极板将被氧化以降解腐殖质样有机物,并且此过程产生的不完全降解产物可能导致小分子芳香族有机物的浓度增加.

同时,电极板在电场作用下产生的金属絮凝物可以吸附和去除污染物,一些有机污染物从废水中转移到絮凝物中.

此外,水在阳极和阴极表面电解产生的微小氧气和氢气气泡也可能导致废水中污染物的微气浮或挥发性有机物的剥离作用,但由于缺乏这种数据,这些影响对造纸废水中有机物去除的影响需要后续研究.

2.3电絮凝去除废水的硬度

造纸废水的硬度主要由钙和镁离子组成.硬度是废水质量的再评价指标.硬度过高会降低电絮凝系统中苯环污染物的去除效率并增加运行成本.这项研究调查了在最佳条件下通过电凝去除造纸废水中总硬度的结果,如图5所示.

从图5中可以看出,电絮凝对总硬度具有良好的去除效果.在30分钟的处理过程中,硬度去除率首先迅速增加,在10分钟时达到64%,然后缓慢增加,趋于稳定,最后达到78%.赵善等.在含油废水的处理中还发现电絮凝对硬度有很高的去除效果,在处理的前10分钟内硬度去除率迅速增加,然后缓慢增加,在30分钟时达到85%去除率..

原则上,在电絮凝过程中,水中的钙或镁离子在外部电场的作用下迁移到阴极,因此阴极中的碳酸钙或碳酸镁浓度较高溶液达到过饱和.形成沉淀,从而达到去除硬度的目的.

2.4电絮凝去除造纸废水中的重金属

本研究研究了在最佳条件下通过电絮凝去除造纸废水中的重金属.结果如图6所示.

如图6所示,电凝对铬,砷和锰的去除率不同.在废水中.随着电絮凝时间的增加,铬的去除率在开始的5分钟内迅速增加,然后缓慢增加至约36%.砷的去除规律与铬相似.在开始的5分钟内,砷的去除率迅速上升至75%,然后下降速度放慢,并在10分钟后稳定下来,达到约80%.但是,锰的去除率呈现出不同的变化规律,随着电絮凝时间的增加,锰的去除率不断提高.当电絮凝反应进行3分钟时,锰的去除率仅为14.5%,在20分钟内达到61.2%.在30分钟内上升到93.7%.

相关研究发现,通过电絮凝去除铬不仅与电流密度等因素有关,而且与溶液的pH值有关.在这项研究中,在某些处理条件下,随着处理时间的延长,溶液的pH值随着质子的减少而增加,最终增加到10.8.

但是,碱性溶液条件不利于电絮凝去除铬.当pH大于9.6时,电极以Fe(OH)4-的形式释放Fe(III),用于铬离子.铬的吸附能力差,因此延长处理时间不能促进铬的去除.

类似地,砷的去除效果也随着pH值的增加而变化.韦婉等.发现当pH高于8.5时,水合氧化铁表面的质子化度减弱,显示负电荷,并且结合相同的带负电荷的砷酸盐的能力减弱,因此去除率将显示下降趋势.徐龙谦等.在电絮凝去除Mn2 +的研究中发现,电絮凝反应中生成的OH-和O2将与Mn2 +形成Mn(OH)2,然后被部分氧化成为MnO2.在实验过程中,盘子将持续溶解高价.金属铁离子通过其水解形成的絮凝物可以有效地吸附和去除MnO2,因此电絮凝时间的增加有利于锰的去除.

3结论

(1)电极材料对造纸废水中的有机物电絮凝去除有一定的作用,铁电极对总有机碳的去除率为略高于铝电极,并且去除率受pH变化的影响较小;在本研究确定的最佳处理条件下,以铁电极为阳极,电絮凝处理30分钟后,造纸废水中TOC的去除率可达到38.7%.

(2)电流密度也对TOC去除率有很大影响.增加电流密度可以提高TOC去除率;有效面积体积比也与TOC去除率成正相关,面积体积比高.获得更高的TOC去除率;原水的pH值对去除TOC也有重要影响.酸性条件有利于有机物的去除,而高碱性不利于有机物的去除.

(3)根据荧光光谱分析结果,本研究中使用的造纸废水包含五种荧光有机成分,分别是小分子芳香有机污染物,腐殖酸样有机物和色氨酸.像有机物,腐殖酸样和少量黄腐酸样的混合有机物以及黄腐酸样有机物一样,电凝过程中腐殖酸样和黄腐酸样成分的去除与电凝过程有关.去除TOC.

(4)电絮凝对造纸废水的硬度和重金属具有良好的去除效果.处理30分钟后,铬,砷和锰的去除率分别达到36%,80%和93.7%.总硬度去除率达到78%.