电化学工艺处理电镀废水和重金属废水

Posted 2023-01-12 化学工艺

篇首语：当筵意气临九霄，星离雨散不终朝。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了电化学工艺处理电镀废水和重金属废水相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

目前，电镀废水、重金属废水处理的主要传统工艺一般有以下几种方法：化学加药沉降法、离子交换法、膜分离法和生化处理等。但这些传统的处理工艺很难达到提标后的排放要求，尤其是重金属和COD排放限值的要求，有的工艺即使可以实现重金属废水的达标排放，其投资成本和运行成本也给企业的生产经营造成很大压力。环境保护所面对的问题更加复杂，重金属废水治理已成为一个跨越环境工程学科的课题。
鉴于重金属废水浓度稀，成分复杂，处理达标要求又非常严格，传统的废水处理技术具有难以克服的缺点，主要表现为：处理剂使用量大、价格昂贵、反应不易控制、反应较慢、效果不理想、水质差、残渣不稳定、回收贵金属难。因此，重金属废水治理技术的研发，有以下几方面的发展方向：
(1)对环境无影响药剂的代用品的开发和利用；
(2)无毒无害新型水处理药剂的开发和应用；
(3)物理处理新技术、生物处理新技术和计算机辅助应用技术的开发和应用；
(4)功效好、成本低的水处理技术和药剂的开发；
(5)加强各种水处理技术的综合应用等。
电化学法是近年发展起来的颇具竞争力的电镀废水、重金属废水处理方法。它利用电化学原理处理废水，具有如下优点：①无需添加任何氧化剂、絮凝剂等化学药品；②既可单独处理又可与其他技术相结合，提高废水的可生化性；③不会或很少产生二次污染；④设备体积小，占地少，操作简便灵活。因此该法被称为清洁处理法。电化学法处理重金属废水，系统运行成本明显降低，去除污染物的效果和企业经济效益显著，为实现重金属废水治理提供了一条有效途径。
1、目前电化学处理重金属废水工艺包括以下方法：
(1)电凝聚法：利用电解氧化铁屑、铁板或铝板等生成Fe2˙Fe3+或Al3+，再形成Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀物，通过絮凝、沉降去除水中污染物。电凝聚法的最新研究方向是周期换向的脉冲信号电凝聚，既具备高压脉冲电凝聚法的优点，又由于两极均可溶，更有利于金属离子与胶体间的絮凝作用，防止电极钝化。
(2)磁电解法：在电解槽外加磁场构成电解体系对重金属废水进行电解的过程。其机理是重金属废水在电解时离子受到电场力和磁场力的共同作用，使其离子运动轨迹复杂化并降低浓差极化，促进电解过程的传质和电化学反应，提高电解效率。磁电解技术常常和其他电化学处理工艺相结合，以提高处理效果。
(3)电渗析法：在直流电场的作用下，利用阴离子或阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子进行选择性透过，使阴、阳离子定向迁移，从而实现水体中的溶质与水分离。是一项比较成熟的膜分离技术，可处理电镀废水、冶金工业废水及其他含铜、铬离子的废水。电渗析在运转过程中，两极有电化学反应，电极腐蚀物聚集，电阻增大，电耗随之增加，所以必须向电极室通入较大流量的水以排除电极反应产生的腐蚀物。
电渗析可分为单极性膜电渗析、双极性电渗析。传统的单机性膜存在电极耐久性欠佳及易发生堵槽等不足，因此目前研究热点是双极性膜电渗析。将双极性膜与单极性膜组合，是重金属废水处理工艺未来发展的新方向。
(4)电还原法：用于重金属废水处理属于阴极还原法。其机理为阳极采用惰性电极，对废水进行电解，重金属离子在静电引力的作用下，向阴极迁移，从而在阴极表面发生沉积。该法技能去除溶液中的重金属离子，又能从废水中回收高纯度重金属。但一般重金属废水浓度低，采用传统二维电极电解时，电流密度小，电解效率低，电耗大。因此，传质问题也成为要解决的难点，各类高效传质的电化学反应器也成为研究重点。
针对普通平板电极电还原较慢的缺点，固定床、流化床、四级连续流动电化学反应器已成为电还原法的研究方向。
(5)内电解法：又称微电解。其机理是在电解槽中填充活性填料，当废水通过电解槽时，以废水为电解质媒介，活性填料就形成了原电池，通过填料表面发生的电化学反应和絮凝作用达到净化废水的目的。在微电解工艺中，常用反应材料为铁屑(铸铁屑、钢铁屑)或铝铁屑加入石墨或炭粒。探讨复合微电解技术的反应机理、过程动力学是目前该领域的研究重点。
(6)络合—超滤—电解集成技术：为满足日益严格的环保要求，实现废水再生回用和重金属回收，可将电化学、络合、超滤等几种技术集成起来处理电镀废水、重金属废水，同时发挥各种技术的长处，实现对废水重金属离子的最有效去除。
2、电化学法与传统的物化、生化法等工艺处理的特点比较
工艺方法、COD去除率、出水、铜离子、出水、镍离子、运行成本、污泥数量、设备维护、工艺弱点：
化学法、30%、0.5、0.8、用电量大、加药剂较多、操作复杂、污泥量大、需操作人员多、成本高、通常为4元/吨。
污泥量大、回收价值低、有害固废物处置费高、设备受酸碱腐蚀大、维修频繁、设备寿命短。
药剂费高、一级排放标准达标困难、特别是Ni、Cu含量高
生化法、60%-、-、培菌温度降低、气温5℃以上不需加温、菌活性增强，菌废比提高至1:100-150，处理成本2元/吨左右。
污泥量少，回收价值高。设备数量少，大部分在中性条件下运行，故障率低维修简便。母菌培养较难
电化学、75%以上、0.3、0.1、系统运行成本3元/吨，出水可达到太流流域排放指标。
污泥量少，废渣可回收。维护简单，仅需更换电极。
3、电化学法原理及关键技术
（1）由杭州回水科技有限公司设计开发出的全封闭、旋流式的高效电化学反应器结构，将电解槽的流道设计为三维流体接触面，即溶液与极板在X轴、Y轴与Z轴方向都有接触，电化学反应效率高；固液分离时间设计值为45～60分钟，水流转速设计值为80转/分钟，可以由此确定反应器的容积大小，以避免产生污染物的回融现象，并有效防止极板钝化。高效电化学旋流式反应器结构示意图回水科技设计开发的高效电化学旋流反应器是重金属废水电化学处理系统的主设备，其工作原理如下：重金属废水通过进水管1，进入电化学反应器，废水上升过程中通过复合极板3产生电化学反应，传动轮2带动搅拌桨叶4绕轴（传动轴6）转动，使水流以旋流状态与复合极板3充分接触，从而提高电化学反应效率。
（2）电化学反应过程非常复杂，存在着许多副反应（如阴极析氢反应、阴极氧还原反应、多种金属离子间的相互作用等），可能导致污染物的回融和极板钝化。因此，阴极极板的材料选择也是技术关键之一。回水科技设计开发的电化学反应器中的阴极极板，是特制的三层结构复合ACF极板。极板上、下两层为复合ACF（在活性碳纤维中添加铂、钛、钌等稀有金属改性而成），中间层为极板骨架，是采用硬质绝缘材料（如PVC、尼龙等）制作成极薄的网状支撑结构，单个极板尺寸可达600*800mm，解决了普通ACF柔软易变形的问题。同时，考虑到绝缘材料会影响电化学反应器内,废液的导电性能，因此在极板骨架设计时采用极薄的网状结构，以尽可能地减小极板间绝缘材料对废液电流效率的影响。另外，电化学反应器的旋流式结构设计，使极板与溶液通过水流旋转有三维流道接触面，解决了普通ACF板易污堵的问题，能有效地促进体系H2O2的产生量，强化电化学氧化还原反应效率，从而提高了重金属和COD的去除效率。
（3）搅拌装置的结构设计与工作原理回水科技设计开发的高效电化学反应器所带的搅拌装置由传动轴、传动轮和搅动桨叶构成。其中，搅动桨叶是由一系列一字型叶片构成，相邻叶片互成9O角均布在传动轴上，在传动轮的带动下旋转，使纵向水流转为旋流式流态，可以使电化学反应的物料混合均匀，提高传质效率和电化学反应效率。
（4）电化学电源技术旋流式高效电化学反应器，必须在高强度的脉冲电场中产生电化学反应，这不同于通常的工业用电要求。通常在工业用电中常见的是单相220伏或者三相380伏交流电，频率一般是50赫兹；这两种电都是连续的正弦波，而污水处理所需的是高频脉冲电场。由杭州回水科技有限公司自主开发的电化学电源就是将低频交流电转换为高频脉冲电的设备。其基本工作原理是：将单相或三相交流电整流滤波为直流电，再通过半桥DC/DC变换电路形成30～50KHz的高频直流电，该高频直流电在输出端通过两个2单元的IGBT模块输出到负载（电化学反应器），IGBT将电源频率控制在6KHz以下（可根据需要在此范围内任意设定）。电化学电源一般为恒流源（输出电流的均值），在运行中首先给定一个电流设定值，PWM控制器通过检测输出电流的变化，调整高频部分的电压幅值，从而使得电流保持恒定。杭州回水科技有限公司自主开发的可控型电化学电源，其脉冲宽度、频率的调整范围大大增加，电压最高值可达1000V，最大电流可达50A。电源可以手动操作，也可以实现自动运行。该电源可以针对不同的污水水质特点，通过调节整脉冲功率、频率及占空比，形成不同电压强度的脉冲电场，实现了一种电源可以处理多种污水的可调可控功能，增大了电源的适用范围及单机处理能力。电源的运行参数设置与反应运行情况监控可以通过PLC实时处理控制，并在显示屏上显示工作状态。电源内置的PLC也同时接收电化学反应器的控制信号，包括液位传感器、温度仪、PH在线监控仪、在线COD检测仪、在线电导率仪等，通过系统控制程序协调反应器与电源的运行与工作状态。