电解法制高纯二氧化氯工艺在水处理中的应用

Posted 2023-01-12 用量

篇首语：岁寒，然后知松柏之后凋也。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了电解法制高纯二氧化氯工艺在水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

为了开发经济实用的二氧化氯消毒工艺，对电解法制备高纯二氧化氯工艺在水处理中的运用进行了研究。在最佳条件下，电解氯酸盐自动催化循环制备的二氧化氯纯度可达98%左右。通过二氧化氯杀菌除藻试验，讨论了二氧化氯用量以及原水pH对细菌、叶绿素a、藻类的去除率的影响。结果表明，二氧化氯用量在2mg/L以上时，3者的去除率均达到90%以上。当二氧化氯用量为2mg/L、原水pH为6～9时，3者的去除率不发生显著变化，并且二氧化氯的剩余质量浓度均控制在0.5mg/L以下。消毒成本：生产1kg二氧化氯成本可以控制在6元以内，当二氧化氯用量在0.5～2mg/L时，1t水的消毒成本为0.003～0.012元。
二氧化氯(ClO2)是国内外公认的高效、广谱、快速、安全无毒的杀菌消毒剂，在饮水消毒工业给水处理、二次给水消毒、医院废水处理等方面得到广泛应用。但是ClO2的储存和运输很不方便，有效可行的办法是现场发生。目前，中国ClO2发生装置生产的ClO2成本高、ClO2含量少，因此开发经济实用的ClO2生产工艺和装置是推广应用ClO2的关键环节。1电解法制备二氧化氯的反应原理由于阴极的催化作用，电流的作用微小，ClO-3→ClO2的还原速率是非电化学控制的，电催化仅加速了还原反应，电解法制备二氧化氯是基于一个自动催化循环的过程。
笔者在前人研究的基础上，直接由氯酸盐电解制备高纯二氧化氯，反应原理如下：

氯酸根和电解产生的瞬态中间体亚氯酸根发生化学反应生成ClO2，部分ClO2电解还原为亚氯酸根，其余部分作为产品从溶液中移走。
2.电解法制备二氧化氯的工艺流程
电解法制备二氧化氯工艺流程见图1。此工艺流程可以分为两个大的系统，即制备二氧化氯系统以及分离H2SO4和Na2SO4系统。

制备二氧化氯系统：阳极电解液在阳极液槽中达到预定浓度后通入电解槽的阳极箱，达到一定液位后关闭阀门3。往盐箱中放入固体氯酸钠，通入纯水调节氯酸钠溶液浓度达到预定浓度。把盐箱中的溶液泵入阴极箱，达到一定液位后自动循环。调整整流柜的输出电流，最大输出电流不能超过100A。调节阀门11、12的开度，达到预期冷却效果，同时冷却水通过水射器产生负压，使得二氧化氯产品被吸入并溶解在冷却水中，一同进入污水池。
分离H2SO4和Na2SO4系统：从阳极室排出的含有H2SO4和Na2SO4的溶液进入接触塔，打开阀门9，向接触塔中通入SO2气体，使H2SO4含量升高。从接触室排出的混合溶液进入分离室，分离室采用聚苯乙烯阴离子膜，只让阴离子SO2-4通过，不让阳离子Na+通过，H+虽然是阳离子，但有较高的迁移率所以也能通过。渗过的H+和SO2-4结合生成H2SO4，与Na2SO4分离。分离出来的H2SO4溶液进入浓缩装置，通过Ⅰ口通入的加热蒸汽蒸发水分得到浓度较高的H2SO4溶液，浓缩硫酸进入浓硫酸槽。电解槽采用箱式平行板电解槽，阳极电极为钌—钛二元涂层钛网，阴极电极为石墨板。在表1所示参数的控制下，制得二氧化氯纯度可达98%。

3.二氧化氯杀菌除藻实验
3.1实验材料与方法
2010年7月2、5、8日，在北京市元大都公园湖水不同位置的某一深度进行采样，对二氧化氯杀菌除藻进行试验研究。实验用水检测结果见表2(2、5、8日采样记为1、2、3号样)。野外采集及室内分析方法参照文献。根据《地表水环境质量标准基本项目标准限值》(GB3838—2002)可判断实验用水属于劣V类湖水。

3.2结果与讨论
3.2.1二氧化氯用量对各项去除率的影响
分别取1、2、3号样，投加不同量的二氧化氯，摇匀，在室温(21℃)避光杀菌20min，放置1h后对处理后水样进行检测，计算各项平均去除率，结果见图2。由图2看出：ClO2用量为2mg/L以上时，水样藻类总量、叶绿素a和细菌总量平均去除率均达到90%以上。根据待处理污水水质情况，二氧化氯用量可在2～10mg/L。通过镜检发现，许多绿藻变成白色小球，这可能是由于药剂对叶绿素的破环导致藻类的死亡，同时还发现有破碎的细胞。实验是在静态条件下以高藻水为原水得出的试验结果，如对微污染水源进行除藻时还需要考虑优势藻的种类差异、水力条件差异、消毒剂的投加方式等。

3.2.2处理液pH对各项去除率的影响
将1号样配制成不同pH，二氧化氯用量为2mg/L，对处理后水样进行检测，结果见表3。由表3可以看出，各项去除率受pH影响较小，且在碱性条件下仍有不错的去除效果。

3.3二氧化氯消毒实验剩余量分析
消毒剂的加入量与剩余量的实验结果见表4，其中余氯测定选用DPD法。美国二氧化氯水厂出厂水中要求二氧化氯剩余量在0.3～0.5mg/L。由表4看出，二氧化氯用量在1.0～2.0mg/L时处理后水中二氧化氯剩余量可以达到要求，同时应控制亚氯酸根的浓度不宜过高。

4.消毒成本核算
电解槽操作电流为80A，操作电压为4.16V，所以每小时消耗电量为0.3328kW.h。初步估算生产1kg100%二氧化氯消耗定额见表5。由表5看出，生产1kg二氧化氯成本是4.512元，加上人工和折旧费1.2元，二氧化氯生产成本可以控制在6元/kg以内。根据二氧化氯生产成本和用量可以算出二氧化氯的消毒成本。二氧化氯用量在0.5～2mg/L时，水的消毒成本为0.003～0.012元/t。

5.结论
采用电解氯酸盐自动催化循环制备高纯二氧化氯，在最佳条件下制得二氧化氯纯度可达98%。将二氧化氯用于水的杀菌除藻试验，结果表明：二氧化氯用量为2mg/L时，水中藻类、叶绿素a、细菌去除率均可达到90%以上；当二氧化氯用量为2mg/L时，原水pH调节至6～9，藻类、叶绿素a、细菌去除率不发生显著变化，并且二氧化氯剩余量均可控制在0.5mg/L以下。根据二氧化氯生产成本和投量核算二氧化氯消毒成本每吨水为0.003～0.012元。