鼓氮喷射床电沉积法处理含锌离子废水

PB|2018年7月2018年7月|101环保与节能鼓氮喷射床电沉积法处理含锌离子废水黄宇吴志琪谭俊杰靳梦轲陈熙(东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110000)摘要：本实验采用自主设计的喷射床电沉积实验装置处理含锌废水，通过改变废水pH值、电流强度、含锌废水浓度以及是否鼓入氮气等实验参数，研究不同实验条件下喷射床电沉积系统处理含锌废水的效果并进行参数优化。分析表明，在实验所选择的条件下，电沉积3h后锌离子浓度明显降低。采用粒径为1.8mm的铜微粒电极，控制废水PH值为4.5，恒电流强度为15A，初始锌离子浓度为1000mg∙L-1,鼓入氮气，电沉积180min后，锌离子的去除率最高可达49.44%。关键词：电沉积;去除率;电流效率;含锌废水0引言锌是维持机体正常生长发育、新陈代谢的重要物质。在当代人类使用的金属中，按金属用量计，锌是仅次于铁、铝、铜之后的第四大用量的重金属[1-3]。但是，大量锌的存在会降低人体的免疫功能，使人体对疾病易感性增加[4]。因此，对含锌废水的治理和回收越来越引起国内外科研工作者的重视。目前，含锌废水处理方法主要有两种：第一种物理化学法，第二种生物法。传统的物理化学方法耗资大且容易造成二次污染，生物法处理含锌废水所需周期较长[5]，无论采用哪一种方法，废水中的重金属都只是转移了位置或转变了赋存形态[6-7]。而电沉积法是一种既可以处理废水，也能回收金属资源的方法。1实验材料及装置1.1实验材料本实验使用的含锌废水水样为实验室模拟配制，废水水样全部采用分析纯化学药剂和去离子水配制，详见表1.1。表1.1化学药剂及实验仪器Table.1.1ChemicalPharmacyandlaboratoryinstruments化学药剂标准实验仪器型号无水硫酸钠(Na2SO4)分析纯电子天平SQP氢氧化钠(NaOH)分析纯溶解氧测定仪JPSJ-605溶解氧测定仪硫酸锌(ZnSO4)分析纯百灵达光度计7100波长自动选择型浓硫酸(H2SO4)98%数显pH计PHS-3C数显pH计硼酸(H3BO3)分析纯磁力泵MD-40R1.2实验装置——喷射床电沉积系统主体反应器实验中，喷射床电沉积系统主体反应器由有机玻璃制成，配置好的含锌废水倒入水槽中，通过磁力泵的作用泵入中心管，中心管中放置2.5kg直径为1.4mm的铜粒，通过馈电极与阴极相连，外侧金属钛篮和阳极相连。水从水箱泵入，通过中心管时进行电解，从出口流出进行一次循环。2结果与讨论2.1废水PH值对电沉积效果的影响实验采用粒径为1.8mm的铜微粒电极，控制含锌废水中锌离子浓度为1000mg∙L-1，恒电流强度为10A，电沉积180min，不鼓入氮气，研究pH值在3～5.5之间锌离子去除率和电流效率的影响。0306090120150180010203040pH=3pH=4pH=4.5pH=5pH=5.5recoveryratio(%)time(min)图2.1不同pH值条件下的锌离子去除率Figure2.1RemovalrateofzincionunderdifferentpH由图2.1可以看出，当pH值在3～4.5之间时，Zn2+去除率和电流效率随pH值增大而逐渐增大，这是因为pH值越大，H+浓度越低，析氢反应程度相对越弱，Zn2+在阴极得到电子被还原的几率相对增大；但随着pH值(4.5～5.5)的持续升高，H+浓度变低，此时锌离子去除率不升反降，这是由于随着pH值的不断升高，沉积的金属锌出现返溶现象并且返溶现象增强，并逐渐超过了锌的沉积速率。从实验数据分析可得，pH值为4.5时电沉积效果为最佳，电沉积180min后，锌离子去除率为37.60%。2.2电流强度对电沉积效果的影响采用粒径为1.8mm的铜微粒电极，控制废水pH值为4.5，废水中锌离子浓度为1000mg∙L-1，电沉积180min，不鼓入氮气，探究电流强度对锌离子去除率和电流效率的影响。实验中，改变电流强度，分别控制电流值在5A、10A、12A和15A的条件下进行电沉积，实验所得锌离子去除率结果如图2.2所示。由图2.2可以看出随着电流强度的增加，锌离子去除率有所增加，但去除率增加的幅度却逐渐减小。这是因为随着电流强度的增加，阳极附近的析氢反应会不断加剧，由于阳极析氢反应的增强，使得阴极副反应也随之增强，而且反应过程中电流强度越大热损耗也越大。综合考虑锌离子去除率和电流效率，对于含锌废水，控制电流强度为15A时电沉积效果最佳。电沉积180min后，锌离子去除率为43.07%。环保与节能102|2018年7月2018年7月|1030306090120150180010203040I=5AI=10AI=12AI=15Arecoveryratio(%)time(min)图2.2不同电流条件下的锌离子去除率Figure2.2Currentefficiencyofzincionunderdifferentcurrent2.3废水中锌离子浓度对电沉积效果的影响采用粒径为1.8mm的铜微粒电极，控制废水pH为4.5，电流强度为15A，电沉积180min，不鼓入氮气，探究废水中锌离子浓度对锌离子去除率和电流效率的影响。实验中，改变废水中锌离子浓度，分别控制锌离子浓度为500mg∙L-1、1000mg∙L-1、2000mg∙L-1和3000mg∙L-1的条件下进行电沉积，实验所得锌离子去除率结果如图2.3所示。03060901201501800102030405060500mg/L1000mg/L2000mg/L3000mg/Lrecoveryratio(%)time(min)图2.3不同废水浓度条件下锌离子去除率Figure2.3Currentefficiencyofzincionunderdifferentwastewaterconcentrations由分析可得，废水中锌离子浓度越低，越容易发生浓差极化现象，析氢反应就越强烈，但同时，尽管锌离子浓度越低去除效果越好，但电流效率的变化却与之相反。因此综合考虑，控制电解液pH值为4.5，电流强度为15A，微粒电极粒径为1.8mm，控制含锌废水浓度为1000mg∙L-1时效果最好，电沉积180min后，锌离子去除率为43.07%。2.4鼓入氮气对电沉积效果的影响由于金属在沉积过程中会出现金属返溶现象，而废水中的DO值是影响金属返溶的重要因素之一，所以实验研究了是否鼓入氮气对电沉积效果的影响。采用粒径为1.8mm的铜微粒电极，控制废水pH为4.5，电流强度为15A，以600L∙h-1的流量鼓入氮气，电沉积180min。结果如图2.4.1和图2.4.2所示，鼓入氮气的锌离子最高去除率为49.44%，而不鼓氮气的最高去除率仅为43.07%，提高了6.37%。030609012015018001020304050withoutN2withN2recoveryratio(%)time(min)图2.4.1鼓/不鼓氮气条件下的锌离子去除率Figure2.4.1RemovalrateofzincionwithandwithoutN2与此同时，通过选取是否鼓入氮气这一组实验进行返溶现象的研究。在电沉积实验结束后，在关闭电流但保持其他实验条件不变的情况下，每10min测定一次锌的返溶量，从而找出锌返溶的速率的变化规律。由图2.4.2可以看出，锌的返溶速率与时间呈近似线性关系。金属锌的返溶速率常数(拟合直线的斜率)由不鼓入氮气时的1.528下降至鼓入氮气时的0.543，返溶速率常数直接降低了64.46%。由此可证实，鼓入氮气对沉积金属返溶存在抑制作用。01020304050600102030405060708090withoutN2withN2Zincbackdissolution(mg/L)time(min)图2.4.2鼓氮气与不鼓氮气条件下锌的返溶量Figure2.4.2ZincbackdissolutionwithandwithoutN23结论(1)喷射床电沉积法处理含锌废水的最佳反应条件是：采用粒径为1.8mm的铜微粒电极，PH为4.5，电流强度为15A，含锌废水浓度为1000mg∙L-1，鼓入氮气，电沉积180min后，锌离子的去除率最高可达49.44%。(2)鼓入氮气有效的降低了水中DO值，抑制了沉积金属的返溶现象，同时鼓入气体时的搅拌作用削弱了浓差极化现102|2018年7月2018年7月|103象。鼓入氮气的锌离子最高去除率为49.44%，比不鼓氮气的最高去除率提高了6.37%。(3)锌的返溶速率与时间呈近似线性关系，不鼓入氮气时返溶速率常数为1.528，鼓入氮气时为0.543，返溶速率常数降低64.46%。参考文献：[1]陈熙，徐新阳，赵冰，李海波.喷射床电沉积法处理铜、镍混合废水[J].化工学报，2015,66(12):5060-5066.[2]陈熙，徐新阳，高天阳，李秋平，白立远.喷射床电沉积法处理含铜废水的试验研究[J].安全与环境学报，2015，15(3)：212-215.[3]蔡鲁晟,陈文婷,黄琳.含锌废水处理研究进展[J].化工时刊,2006,20(3):68-70.[4]向中兰.补锌过量对人体的危害[J].现代医药卫生,2001,17(9):727.[5]张佳.电镀废水净化的双金属的羟基氧化物形成调控及污泥衍生催化剂对环境污染气体的分解应用[D].上海大学,2014.[6]孙小刚.电镀废水沉泥中有价金属回收工艺研究[D].西安建筑科技大学,2012.作者简介：黄宇(1997-)，女，满族，辽宁铁岭人，本科，研究方向：重金属废水电化学处理。烟气脱硫技术的研究现状及进展周银(西北民族大学化工学院，甘肃兰州730124)摘要：任何工业生产都离不开能源的消耗，矿物燃料包括煤、石油等的燃烧将产生大量的工业废气，其中含有的大量的颗粒污染物、气态污染物等。在这些污染物中二氧化硫直接导致酸雨形成，对建筑物、土壤产生巨大污染。针对目前的烟气脱硫问题，本文将浅析该项技术的研究现状以及最新进展，以推动该领域科学技术的发展。关键词：烟气脱硫；现状；进展0引言煤炭在我国的能源结构中占据主导地位，这是由我国的基本国情决定的。随着工业发展，环境问题日益突出，国家大力倡导环境保护，提倡绿色能源、清洁能源，并且加大对新能源的科研投入和扶持力度，但这一主导地位仍将保持较长一段时间。在煤炭、石油等化石燃料的形成过程中，不可避免的掺杂含硫物质，这就直接导致在燃料燃烧过程中产生二氧化硫等污染物。烟气中含的硫作为工业废气中的主要污染物，已经引起广泛关注。所谓烟气脱硫是采用和化学或物理措施把存在于烟气中的二氧化硫固定和除去[1-3]。1烟气脱硫的必要性八十年代初期，由于生态环境尚未遭到严重破坏，酸雨只发生于我国西南等少数地区。然而随着改革开放的进行，虽然在经济建设领域我们取得了辉煌的成绩，但随之而来的是环境的恶化。目前我国酸雨已经逐步发展到长江以南，并且在四川盆地的大部分地区甚至是人员活动较少的青藏高原地区都已经出现酸雨。根据国际评价酸雨的标准，pH值小于5.6的降水即视为酸雨，而根据相关统计结果我国已经有接近30%的国土面积属于酸雨地区。燃料燃烧是我国产生酸雨危害的主要原因。化石燃料中的硫在燃烧过程中形成二氧化硫，在降雨过程中烟气中的二氧化硫将溶解到雨水中形成的酸雨。酸雨不仅会对人体产生直接危害，比如将印发皮肤病，引起呼吸系统疾病，而且酸雨落到地表将改变土壤的酸碱性[4-6]。由于多数建筑物均采用水泥陶瓷等材料，酸浆将与这些材料发生化学反应，对建筑表面产生不可修复的损害。酸雨将随着地表径流进入到江河湖泊等水体中，对水体生态系统产生巨大影响。在经济不断发展的同时，我们也要重视生态环境问题，不能继续走“先发展、再治理”的老路，要采取适当的措施保住我们的绿水青山势在必行。由此，针对工业烟气中的硫进行有效的处理，具有十分重要的意义，尤其是八十年代以来，相关科研部门进行了大量的烟气脱硫技术研究，并且在很多现场应用中取得较大成功。2烟气脱硫的主要方法2.1石灰石—石膏湿法石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺