电浮选凝聚法处理污水的实验条件探究

Posted 2023-01-12 条件

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针对电浮选凝聚法处理污水实验效果不够理想的问题，采用简单比较法对电浮选凝聚法处理污水的实验条件(包括电极连接方式、氯化钠加入量、碳棒根数、电压等)分别进行了探究，得出最佳实验条件，旨在为中学化学教师顺利进行实验教学提供参考。实验结果显示：在10V电压下，使用三电极(用铝片作阴极，用铁片和石墨电极作阳极)进行实验，在230mL污水中，加入5.0g氯化钠，碳棒数量在2～3根平行捆绑时，实验效果最佳。
文章编号：1005–6629(2013)10–0042–03中图分类号：G633.8文献标识码：B
电浮选凝聚法处理污水是人教版高中化学选修6《实验化学》中的实验，通过该实验学生能了解其原理和装置，认识化学在解决污染问题中的作用，形成环保意识。电浮选凝聚法处理污水是通过电解的方式，阳极Fe失电子生成Fe2+，Fe2+进一步被氧化为Fe3+，Fe(OH)3有吸附性，可吸附污物沉积下来(凝聚)；阴极产生氢气，气泡将污水中悬浮物带到水面形成浮渣层(浮选)，以达到净水的目的。但是，该实验在中学中较难达到理想的实验效果，存在以下不足：①耗时长；②电解时阳极铁失电子产生的Fe2+，只有少量被氧化为Fe3+，凝聚效果不理想。
针对这些问题，研究者们主要从浮选和凝聚的角度提出了改进方法。具体如下：
为了增强浮选效果，研究者主要提出以下两种改进方案：①使用旋转电极；②添加表面活性剂SDS。使用旋转电极，是通过搅拌的方式，促进浮选；而添加表面活性剂，可增强悬浮颗粒与气泡的粘附程度，从而提高浮选效果。为了达到较好的凝聚效果，研究者们主要提出了以下几种改进方案：①增大电极面积；②减小电极距；③加电解质NaCl或Na2SO4，以增强污水的导电性；④外加氧化剂H2O2等，促使2价铁转化为3价铁，提高凝聚效果；⑤采用三电极，即：铁片和石墨共同作为阳极，铝片作为阴极，阳极石墨的作用为产生氧气或氯气(电解质为氯化钠时)，提高Fe2+转化为Fe3+的效率。这些改进方案中仍存在以下问题：①表面活性剂SDS以及旋转电极在中学较少见，且会增加实验成本以及实验操作的复杂性；②采用三电极(铁片和石墨共同作为阳极，铝片作为阴极)进行实验时，石墨电极连接几根碳棒可达到较好的实验效果?③添加H2O2会造成实验成本增加，不添加是否也可达到较好的实验效果?④电解质氯化钠合适的加入量为多少?
针对上述问题，笔者及实验同组人员进行了以下实验探究。
1.实验部分
1.1实验原理
采用三电极(铁片和石墨共同作为阳极，铝片作为阴极)时，电极反应如下：

阳极产生的氢氧化铁对杂质吸附使之沉降；阴极产生的氢气在上浮过程中，将污水中悬浮的杂质带到水面上。这就是电浮选凝聚法(三电极)处理污水的原理。
1.2仪器与药品
自来水、黑墨水(英雄牌高级碳素墨水，上海精细文化用品有限公司)、NaCl、6mol/LHCl溶液、pH试纸；
打孔铁片(9.2cm×3.6cm，伸入污水长度为7cm)、铝片(9.2cm×2.6cm，伸入污水长度为7cm)、废旧电池中的碳棒(伸入污水长度为4cm)、恒流电源、导线、纸板、电子秤、250mL烧杯、胶头滴管、玻璃棒、表面皿。装置见图1、图2。

1.3实验装置图
说明：三个电极在不相互接触情况下，电极之间距离越小越好。本实验中采用在硬纸板上打孔的方式，固定电极之间距离为2cm，电极排列次序依次为铁片、碳棒、铝片。二电极即去掉中间石墨电极，以铁片为阳极、铝片为阴极。
2.实验内容
2.1三电极有效性的探究
按1.3中装置图及说明连接实验仪器→配制污水(约230mL自来水中，加入1滴墨水)→加入电解质氯化钠5g→调节pH为6→接通电源、调节电压约为10V，进行实验，观察记录现象。(注：18滴=1mL)

在相同实验条件下，分别采用由纸板固定的二电极(平行放置Fe片和Al片，距离约4cm)和三电极(在距离4cm的Fe片和Al片中间平行放置由5根碳棒捆绑而成的石墨电极)，进行实验，结果显示(见表1)：阳极石墨的引入增加了氯气的生成量，提高了Fe2+转化为Fe3+的效率，三电极处理污水效果明显优于二电极。
2.2氯化钠加入量的探究
实验步骤同2.1。
采用2.1三电极有效性探究实验中的三电极装置和污水，在10V电压下，仅改变氯化钠加入量，探究其最佳加入量。

在试做过程中得出，加入0.2g、1g、2g氯化钠时，分层所需时间较长；加入10g氯化钠时，气泡产生剧烈，分层时间较短，但浮选和凝聚效果较差；综合考虑时间和效果，加入4～7g氯化钠时较好。因此，本次实验中分别称取氯化钠4g、5g、6g、7g，加入污水再进行实验，得出结论(见表2)：采用三电极，在10V电压下对230mL自来水滴加1滴碳素墨水配制而成的污水进行处理时，加入氯化钠5g，实验效果最佳。
2.3石墨电极碳棒根数的选择
实验步骤同2.1。
采用上述实验(2.2)所得最佳实验条件：10V电压、三电极、230mL污水中加入5g氯化钠，分别选用由1根、2根、3根、5根碳棒捆绑而成的石墨电极，观察并比较通电2min30s时各组实验的现象。

实验结果显示(见表3)：石墨电极用量在2～3根碳棒平行捆绑时，处理后污水颜色较浅且较澄清，实验效果较碳棒数为1根、5根时更优。
2.4电压的选择
实验步骤同2.1。
考虑到部分中学实验条件有限，因此，笔者及同组人员采用上述实验所得最佳条件(三电极、5g氯化钠、2根碳棒捆绑而成的石墨电极)，在更低的电压(6V、8V)下进行了该实验，观察记录现象。

实验结果显示(见表4)：在6V电压下，3min30s时污水明显分层；在8V电压下，3min时污水明显分层。均可达到实验教学的要求，但中间层的澄清效果，与10V电压时相比较差。
3.结论
本文在前人基础上，结合考虑了中学化学实验设备、药品等条件，以实验装置简便、实验成本尽量低为原则，从影响实验效果的各个因素入手，探究了实验最佳条件，以确保其能在高中课堂中顺利进行。综上讨论，电浮选凝聚法中使用三电极处理污水时较二电极处理效果明显提高，中间层更澄清，悬浮物较少；使用三电极进行实验时，用铝片作阴极，用铁片和石墨电极作阳极，在230mL污水中，加入5.0g氯化钠，碳棒数量在2～3根平行捆绑时，实验效果最佳，在电压为9V左右时，均可达到实验教学要求。