电絮凝技术在棉浆黑液处理上的应用

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：读书是易事，思索是难事，但两者缺一，便全无用处。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了电絮凝技术在棉浆黑液处理上的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

分别采用电絮凝法、化学絮凝法和混凝-电絮凝复合工艺对棉浆稀黑液进行处理。结果表明，采用电絮凝法，当初始pH值为9.0、电流密度为150A/m2、反应时间为90min时，CODCr和色度的去除率分别达到64.0%和88.6%；初始棉浆稀黑液浓度和NaCl浓度对处理效果影响不大。采用化学絮凝法，当初始pH值为6.0、PAC用量为500mg/L、CPAM用量为3mg/L时，CODCr与色度的去除率分别能达到39.3%和78.2%。采用混凝-电絮凝复合工艺，在初始pH值为9.0、PAC用量为200mg/L、电流密度为100A/m2、反应时间为60min时，CODCr和色度的去除率分别为64.4%和91.3%。
电絮凝技术(Electrocoagulation)的应用始于19世纪末，在随后的百余年中一直缓慢地发展着。随着公众的环保意识进一步提高，在过去的20多年内该技术重新得到了重视。电絮凝技术一般采用铝板或铁板作为电极，在阳极氧化产生金属离子，并“原位"形成絮凝剂(如金属的氢氧化物)，同时在阴极产生氢气；产生的絮凝剂促使颗粒或胶体污染物凝聚并形成絮体；产生的微小气泡有助于捕捉絮体并夹带上升到反应器表面，形成浮渣被去除。电絮凝法处理废水，具有无需添加化学药剂、设备简单、操作灵活、污泥量少等特点，近年来在国内外正逐步应用于电镀、化工、印染、制药、制革等多种工业废水处理领域[3-5]。
棉浆黑液(蒸煮废液及洗涤废水)含有大量的纤维素及其分解产物(如半纤维素、甲醛、醋酸等)、腐植酸、木素、蜡质、无机盐等污染物。棉浆黑液具有高色度、高pH值、高COD含量、组成复杂、低生化性的特点，属于较难生化处理的高浓度废水。
本研究以棉浆稀黑液为对象，研究pH值、初始COD、电流密度等因素对电絮凝法、化学絮凝法和混凝-电絮凝复合工艺去除COD和色度的影响。
1.实验
1.1实验仪器
紫外可见分光光度计(T6新世纪，北京普析通用有限公司)；光度计(DR890，美国哈希公司)；COD消解器(DBR200，美国哈希公司)；酸度计(梅特勒-托利多(上海)仪器有限公司)；自制电絮凝反应器(有效体积0.9L)。
1.2实验原料
棉浆黑液取自山东某棉浆厂，棉浆黑液特性见表1。

市售1060纯铝板；阳离子聚丙烯酰胺(CPAM，相对分子质量1000万)；聚合氯化铝(PAC，淡黄色粉末，南宁化工集团有限公司)、重铬酸钾、硫酸银、硫酸汞和硫酸为分析纯。
1.3实验方法
1.3.1电絮凝法
阴极、阳极都采用铝板(100mm×84mm×1mm)，反应器采用有机玻璃制作(有效反应体积0.9L，电极板间距10mm)。在反应器内加入棉浆稀黑液(棉浆黑液与自来水配比为1∶9，下同)，用H2SO4调节pH值。4块电极板两两并联方式通直流电，并采用磁力搅拌器进行充分混合；在一定电压和电流条件下反应一定时间后，静置，取样，经过离心分离后测量CODCr和色度。
1.3.2化学絮凝法
在烧杯里分别加入500mL棉浆稀黑液，用NaOH或H2SO4调节pH值；然后将烧杯置于六联搅拌机上，分别加入一定量的PAC，快速搅拌2min(200r/min)；再加入一定量的CPAM慢速搅拌15min(45r/min)；静置沉淀30min后，取上层清液，经过离心分离后测量CODCr和色度。
1.3.3混凝-电絮凝法
在电絮凝反应器内加入棉浆稀黑液，调节pH值为9.0，开动磁力搅拌器，加入一定量PAC，通电(运行条件同电絮凝法)，反应一定时间后，取样，经过离心分离后测量CODCr和色度。
1.4测量方法
(1)CODCr测量方法：CODCr采用快速消解分光光度法(HJ/T399—2007)。
(2)色度测量方法：从反应器内取样，经高速离心机分离，取离心后水样，采用DR890光度计(基于铂-钴比色法)直接读取色度。
2.结果与讨论
2.1电絮凝法的处理效果
2.1.1pH值的影响
实验条件：棉浆稀黑液初始CODCr为1500～1650mg/L，初始色度为8790～13000C.U.。初始值都为pH值调节后的测量值(下同)。反应时间90min，电流密度200A/m2。
文献报道[4-6]pH值是影响电絮凝处理效果的重要操作因素。考虑到酸中和的成本，在此只考虑中碱性条件下电絮凝法的处理效果。图1所示为电絮凝法对棉浆稀黑液CODCr和色度的处理效果。从图1可以看出，随着pH值降低至中性，CODCr与色度的去除率都呈增大趋势；当pH值降低至9.0时，去除率基本不变。这可能是电絮凝法在原位产生铝的无定形态氢氧化物(主要是Al(OH)3)具有较大的比表面积，对污染物沉析具有网捕作用；而在高pH值条件下，增大了Al(OH)3的溶解性，同时转成无絮凝作用的Al(OH)-4，因此在高pH值条件下其处理效果降低。

2.1.2电流密度的影响
实验条件：棉浆稀黑液初始CODCr为1600～1700mg/L，初始色度为12000～13000C.U.，初始pH值为9.0，反应时间为90min。
电流大小将决定在“牺牲阳极"上产生的Al3+的量，进而决定原位絮凝剂产生量，因此电流密度(单位电极板面积所通过电流)是电絮凝法的重要影响因素。图2所示为在不同电流密度条件下电絮凝法处理的效果。从图2可以看出，处理效果随着电流密度的增大而总体上增大；当电流密度达到150A/m2以后，处理效果基本不变。

电流密度不仅决定了原位絮凝剂形成速率，也决定了絮体的大小、阴极板上气泡产生速率，而这些因素都会影响电絮凝的处理效果。根据法拉利定律可知，当电流密度增加时，电极上产生的离子总量增加，Al3+水解产生的多核羟基络合物和Al(OH)3也逐渐增多，加强了对废水中微粒的网捕作用，从而提高了处理效果。然而高电流密度一方面容易造成电极钝化，使Al3+形成速度大幅减慢，从而降低总体反应速率；另一方面产生过多的气泡将会增大极板间的电阻，增大电耗。
2.1.3NaCl浓度与初始CODCr的影响
实验条件：棉浆稀黑液初始pH值为9.0，电流密度为150A/m2，反应时间为90min。图3所示为NaCl浓度和初始CODCr(以COD0表征，两种COD0分别为300、1600mg/L)对电絮凝处理效果的影响。从图3可以看出，NaCl浓度对处理效果的影响在本实验条件下可以忽略。文献报道在电极板的局部高电压下，氯离子有可能在电极板上电解形成的氯气，对污染物进行直接氧化。实验中棉浆稀黑液里混有一定量的其他制浆废水，可能存在一定浓度的离子，进一步加入氯离子对处理影响不大。此外，图3也表示当降低初始浓度时，色度和CODCr去除率都有所提高，但提高幅度不大。
综上，通过改变电絮凝法的实验条件，当初始pH值为9.0，电流密度为150A/m2，反应时间90min条件下，电絮凝法对CODCr和色度的去除率分别可达到64.0%和88.6%。
2.2化学絮凝法的处理效果
2.2.1pH值的影响
实验条件：棉浆稀黑液初始CODCr为950～1050mg/L，初始色度为5500～10000C.U.，PAC用量为500mg/L，CPAM用量为1.0mg/L。
铝盐混凝反应体系的pH值不仅决定废水中污染物的形态，而且决定了铝盐的水解产物，从而影响混凝效果。图4所示为pH值对化学絮凝法处理效果的影响。从图4可以看出，当pH值从12.0降低至5.0的过程中，CODCr和色度的去除率变化趋势相同，总体呈增大趋势；当pH值为5.0～6.0时处理效果最好，这与文献中最佳反应区域相同。此原因主要是铝在pH值为6左右时，其水解总产物的溶解度最低，这些无定形态的水解产物(如Al(OH)3，Al(OH)+2等)具有很强网捕卷扫能力；当pH值升高时，无定形态铝盐的溶解度增大，网捕卷扫能力降低。

2.2.2PAC用量的影响
实验条件：棉浆稀黑液初始CODCr为950～1050mg/L，初始色度为5500～6000C.U.，CPAM用量为1.0mg/L。
混凝剂用量是控制混凝的关键，在造纸废水处理中，为提高混凝速率，混凝剂用量较大，主要以网捕卷扫作用为主。然而加入过量的混凝剂(如混凝剂用量超过胶体脱稳的等电点)，絮体再次解聚，不但降低处理效果，增大废水中金属浓度，而且会过多地降低废水的pH值。图5所示为PAC用量对化学絮凝法处理效果的影响。从图5可以看出，当PAC用量从300mg/L增大到800mg/L，其处理效果总体上呈上升趋势。考虑到处理后废水的pH值变化，当PAC用量为500mg/L，pH值为6时为最佳的混凝条件。
2.2.3CPAM用量的影响
实验条件：棉浆稀黑液初始CODCr为950～1050mg/L，初始色度为5500～6000C.U.，PAC用量为500mg/L，初始pH值为6.0。
CPAM是阳离子水溶性线性高分子聚合物，常作为絮凝剂，与无机混凝剂复合使用，其主要起架桥和电中和作用，使微小絮体长大。图6所示为CPAM用量对化学絮凝法处理效果的影响。从图6可以看出，当CPAM用量达到3.0mg/L以后，絮凝效果基本不变。

综上，通过改变化学絮凝法实验条件及考虑到经济性，当初始pH值为6.0，PAC用量为500mg/L，CPAM用量为3.0mg/L时，CODCr与色度的去除率分别能达到39.3%和78.2%。
2.3混凝-电絮凝复合工艺的处理效果
单独采用化学絮凝法或电絮凝法处理都存在一定的缺点。混凝法需要将棉浆稀黑液的pH值调至6左右，这将消耗大量的酸进行中和；化学絮凝法处理后pH值将变得更低(ΔpH值约为0.8)。电絮凝法虽然只需要把pH值调至9.0即可以达到较好的效果，但电耗量较大，并且处理后废水pH值有所升高(ΔpH值约为0.5)。本实验从pH值和运行成本角度出发，采用混凝-电絮凝复合工艺处理棉浆稀黑液。
实验条件：棉浆稀黑液初始CODCr为950～1050mg/L，初始色度为5500～6000C.U.，初始pH值为9.0。
表2显示了混凝-电絮凝复合工艺在不同条件下的处理效果。从表2可以看出，当PAC用量为200mg/L，电流密度为100A/m2，反应时间为60min，CODCr和色度的去除率分别为64.4%和91.3%。其原因可能是因为在废水中起初加入铝盐，加速了Al(OH)3无定形态絮体形成，因此促进其对废水中颗粒态和胶体态物质的网捕或卷扫。此外采用混凝-电絮凝复合工艺处理后，废水pH值变化小于0.1。

3.结论
实验研究了电絮凝法、化学絮凝法和混凝-电絮凝复合工艺对棉浆稀黑液的处理效果。
3.1采用电絮凝法，当初始pH值为9.0、电流密度为150A/m2、反应时间为90min条件下，CODCr和色度的去除率分别达到64.0%和88.6%；初始废水浓度和NaCl浓度对处理效果影响不大。
3.2采用化学絮凝法，当初始pH值为6.0，PAC用量为500mg/L，CPAM用量为3mg/L时，CODCr与色度的去除率分别能达到39.3%和78.2%。
3.3采用混凝-电絮凝复合工艺，在初始pH值为9.0，PAC用量为200mg/L，电流密度为100A/m2，反应时间为60min，CODCr和色度的去除率分别为64.4%和91.3%。