初探化学法处理电镀废水的理论基础

Posted 2023-01-12 反应物

篇首语：凡事预则立，不预则废。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了初探化学法处理电镀废水的理论基础相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

初探化学法处理电镀废水的理论基础
王克和1，魏雪青2，王海燕3
(1.大连市表面工程协会，辽宁大连116013；2.梅河口市产品质量检验所，吉林梅河口135000；3.中国环境科学研究院，北京100012)
0 前言
化学法目前仍是处理电镀废水的最有效的方法。化学法处理电镀废水的实质是在处理药剂和电镀废水之间发生一种化学反应。因此，它必然要遵循化学反应的规律和化工反应的原理。
化学反应的规律是研究A物质和B物质能不能生成C物质和D物质，属于热力学范畴，并不涉及反应速率的问题。但是废水处理时(特别是连续式废水处理设施)需要按要求在单位时间内处理一定量的废水。这就涉及反应速率的问题，属于“物理化学"学科中的“化学反应动力学"范畴。
大部分处理药剂都配成溶液，它和废水的反应实际是两种液体的反应。这都涉及“化工原理"学科中的“流体动力学"规律。
但是在众多的废水处理资料中较少谈到反应速率的问题。笔者在从事电镀废水处理工作中慢慢地体会到我们不仅关心“能不能反应"，更关心反应速率能不能满足我们的实际需求。只有对后者有了一定的认识，在遇到问题时才能更主动。
化工原理和流体力学的内容有很多，我们不是专门研究理论的，只讨论和废水处理有关的内容。
1 化学反应动力学基础知识[1-2]
1.1 研究对象与内容
化学热力学不能解决反应速率的问题。如果一个化学反应在热力学上是可能的，而在动力学上所需时间很长，这样的反应在实际生产中并不能使用。
化学反应动力学主要研究化学反应速率的问题，即研究操作条件(如反应温度、反应物的浓度、反应压力、催化剂等)对反应速率的影响规律。
1.2 反应速率与反应物浓度的关系
反应物的浓度影响着反应速率。因为反应物的浓度越高，各反应物相遇的机会越多，各反应物相互发生反应的可能性也就越大。
1.3 反应速率与温度的关系
反应温度越高，反应物分子运动越快，各反应物碰撞的机会就越多(当然不是每次碰撞时分子都进行反应)。温度高到把反应物分子“激发"到可进行反应的“活化状态"时，各反应物相互发生反应的可能性就大了。
1.4 催化作用
催化剂是一种不改变化学反应结果，但是能改变化学反应速率的物质。催化剂通过改变反应途径来加快反应速率。催化剂具有特殊的选择性，某种催化剂只能加速某种特定的化学反应。
2 流体动力学
流体流动的状态分为层流和湍流。层流是指在低流速下流体的流动，流动时不会出现侧向的混合，相邻流体层之间表现为层状的相对滑动，既没有交叉流动，也没有回旋流动的涡流。湍流是指在高流速下流体的流动，流体流动时没有确定的迹线，存在交叉流动和涡流。
3 流体流动的描述
化学反应进行的完全程度与反应物料在反应器内的停留时间有关。停留时间是指流体从进入反应器开始到离开反应器为止，在反应器里停留的时间。由于流体流动的复杂性，同时进入反应器的流体不一定能够同时离开反应器，存在一个停留时间分布。停留时间分布是一个随机过程，要按照概率论进行描述。
化学反应器的操作方法可分为间歇操作、连续操作和半连续操作。对于间歇操作化学反应器，由于废水和处理药剂是同时加料、同时出料，流体粒子的停留时间相同。但是对于连续操作化学反应器，流体是连续的，而流体分子的运动是无序的，分子前移是一个随机过程。此外，由于流体在系统中的流速分布不均匀、流体的分子扩散和湍流扩散、搅拌引起的强制对流、反应器内的结构缺陷等原因，流体粒子在反应器中的停留时间有长有短，从而形成停留时间分布。
4 影响化学反应速率的因素
4.1 温度
反应温度越高，化学反应速率越快。因此，在夏季和冬季要注意对废水处理流量和加药量等参数做适当调整。
4.2 反应物的浓度
反应物的浓度直接影响着反应速率。反应物的浓度越高，各反应物相遇的机会越多，各反应物相互发生反应的可能性就越大。因此，在废水处理过程中为了去除某一污染物，所需药品的实际投加量可能远远超过理论投加量。
在处理六价铬时亚硫酸盐的投加量，见表1。亚硫酸盐与六价铬的实际投药比高于理论值。

在处理氰化物时氧化剂次氯酸钠的实际投加量也高于理论值，见表2。

这里还要注意一个问题，用亚硫酸盐处理含铬电镀废水时的化学反应式为：

从反应式中可以看出：亚硫酸盐还原六价铬必须在酸性条件下进行。当酸度增加时，反应朝生成三价铬的方向进行。当pH值为2.0或更低时，反应在5min左右进行完毕；当pH值为2.5～3.0时，反应时间在20～30min；当pH值大于3.0时，反应速率变得很慢。在实际生产中，一般控制废水的pH值在2.5～3.0，pH值过低则耗酸过多。反应时间控制在20～30min为宜。
4.3 反应槽的结构
在实际生产中采用振荡、搅拌、鼓风，合理地设计反应槽的形状、液体进出反应槽的位置等措施，也能增加反应物分子的碰撞机会。
一般在设计反应槽时，废水进液口和出液口设在两个对应方向；设置隔板使液体从下向上或从上向下流动，增加与处理药品的碰触机会，见图1。

反应槽设计不合理，在废水处理中就会出现问题。例如某厂废水处理站发现一个处理槽的参数总是显示滞后。后来发现是在处理槽的角上有一个出水口挡板挡住了水流的正常轨迹，原来的进药口位置正好在水流正常轨迹的角上，所以药品进入处理槽后不能很快和处理槽里的溶液混合，引起参数显示滞后。改进了进药口的位置，这个问题就解决了，见图2。

4.4 催化剂
最近出现的“复合法"废水处理技术，就是利用催化原理处理废水的一种新技术。实际废水中往往同时存在氧化剂(如六价铬)和还原剂(以COD表示)，但是它们在通常条件下的反应速率很慢。加入复合催化剂，就能以一定的速率进行反应。结果重金属六价铬变成三价铬，同时COD也得以降低。
5 “粒子停留时间"对废水处理的影响
5.1 对即时数据的认定
由于流体的特点，所有粒子停留时间并不一样。有的废水没得到充分反应就离开反应槽，所以不能说每时每刻处理的废水都是经过充分反应的，都是达标的。因此，应当增加关于排放数据的达标统计要求的规定。
5.2 加大准备排放水槽的体积
如上所述，应当尊重流体反应的客观规律，加大准备排放水槽的体积，使处理后的水在排放前有足够的时间混合均匀，保证达标排放。
5.3 确定处理槽的体积
有些企业按照每小时排放的废水量确定反应槽的体积，但实际的处理量却很小。确定处理槽体积的正确方法如下。
根据确定的反应条件，通过实验确定平均反应时间，这样就能确定处理槽的体积。
假设废水处理量为10t/h，反应时间为15～20min(即1/4～1/3h)。那么处理槽的体积为2.5～3.3t。这就是说处理槽的体积应该是3.0～3.5t，保证废水和处理药品能得到充分的停留时间，达到满意的处理效果。如果没有按照规则进行计算，就不可能做到正确处理废水。
6 结论
学习物理化学中的化学反应动力学，以及化工原理中的流体力学和流体流动方面的基本理论和观点，对于正确指导电镀废水处理实践起到举重若轻的作用。