电化学法在处理造纸废水中的应用.docx

学校logo电化学法在处理造纸废水中的应用 指导老师： 姓名：班级：学号：目录1电化学法11. 1电凝聚气浮法11. 2内电解法21. 3电化学氧化法31. 4膜辅助电解法42影响电化学法处理废水效果的因素42. 1电极材料42. 2电解质溶液52. 3停留时间53展望6参考文献6电化学法在处理造纸废水中的应用造纸废水对环境所造成的污染问题日益突出1 ,2 。常规的碱回收技术、 生化技术等存在投资规模大、 运行费用高、 技术含量高等特点 ,只能在一些大型造纸厂中使用 ,而在大部分中小型造纸厂是不适用的。因此 ,寻找更适合中国国情的造纸废水处理技术一直是我国各研究机构重点攻关的研究课题3 ,4 。电化学技术迅速发展并为广大环保工作者所重视 ,作为一种对各种废水处理适应性强、 高效、 无二次污染的处理方法 ,已被广泛应用于工业废水和生活废水的处理当中。本文介绍了适用于处理造纸废水的电化学法,并对采用该法处理造纸废水的研究进展进行了概括。1电化学法1. 1电凝聚气浮法在外电压作用下 ,利用可溶性阳极(铁或铝) ,产生fe2+、 fe3+、 al3+等 ,通过絮凝生成 fe (oh)2 、 fe(oh)3 、 al (oh)3 等沉淀物 ,同时阴极上析出大量氢气微气泡与絮粒粘附在一起上浮 ,这种方法称为电凝聚电气浮。以铝电极为例 ,其电极反应如下:阳极:al - 3e- al3+阴极:ox + ne- re 或 2h+ 2e- h2al3+ 3oh-al (oh) 3产生的金属离子在水中水解、 聚合 ,生成一系列多核水解产物而起凝聚作用 ,同时通过液相和气相电极反应 ,新生态的氢气和氧气以微气泡的形式出现 ,可以选择性破坏氯苯、 醌类等芳香族化合物的环状结构 ,使其分解为低分子的有机物 ,还有可能直接被氧化为co2 和 h2o ,不产生污泥 ,是一种很有前途的造纸废水净化方法。通电条件下表现出活性的木素化合物之类物质 ,大部分可用电凝聚法除去 5 ,而在通电条件下表现出非活性的糖类的物质 ,几乎不能被除去。处理前后 ,bod/ cod 比值变化很大 ,电凝聚可提高废水的可生化性。通过实验确定出电凝聚处理造纸废水的优化条件:p h 值 5. 28. 0 ,电流密度 4. 3ma/ cm2,处理时间 45min ,nacl 投加质量浓度 0. 8g/ l ,电极间距1cm。在最佳处理条件下 ,造纸废水中的 codcr 从1246mg/ l 降到了 112mg/ l , codcr 去除率达到91. 7 %6 。色度去除率为 90 %95 %。谭蕾等7 研究发现 ,电凝聚/空气氧化处理草浆蒸煮黑液 ,经酸沉析后滤液的处理效果比单纯的电凝聚处理效果好 ,处理的最佳条件为:槽电压 3v ,电流 600ma ,空气流量q = 18l/ h。1. 2内电解法内电解法又称微电解法 ,通常是以颗粒料炭、煤矿渣或其他导电惰性物质为阴极 ,铁屑为阳极 ,废水中导电电解质起导电作用构成原电池。阳极反应为: fe fe + 2e-阴极反应为酸性条件下:2h+ 2e-h2 碱性条件下: o2 + 2h2o + 4e- 4oh-电解质中反应为:fe2+ 2h2o = fe (oh) 2 + 2h+h+ fe (oh)2 +1/2o2 fe (oh) 3fe2 +具有较强的还原作用 ,可使废水中的某些氧化性组分还原,同时fe(oh)2 及 fe(oh)3 还具有絮凝和吸附作用。原电池的微电流也有直接氧化还原作用 ,还能刺激水体中微生物的代谢作用 ,促进微生物处理废水。此外 ,阳极生成的大量的 fe2+不断地进入溶液 ,不但有效地克服了阳极极化反应 ,而且其还原作用使一些大分子降解为小分子,同时 ,生成的 fe2+作为絮体中心 ,絮凝吸附水中悬浮颗料 ,达到废水净化的目的。由于采用工业废铁屑 ,内电解法的优点是以废治废 ,不消耗能源 ,能去除多种污染成分 ,降低 cod 和脱色 ,还能提高难降解物的可生化性 ,利于后续处理。占地面积小 ,整个装置易于实现定型化及设备制造工业化 ,运行费用低 ,尤其适合中小型厂家废水治理。缺点是反应速度慢 ,处理废水量少 ,反应柱易堵塞 ,对高浓度废水处理比较困难 ,且反应操作弹性较差。内电解法处理亚硫酸盐浆中段废水具有较好的效果 , 最佳条件: 曝气量0. 4 l/ min、 铁炭质量比2 1、p h 值 3、 反应时间 10 min。使用铁屑/ 炭微电解法对废水净化 , 比单纯使用铁屑/炭在酸性水溶液中获得fe2+或直接使用 feso4 的絮凝效果好。这表明在微电解反应过程中 , 废水有机物参与电极反应 , 新生fe2 +和 fe3 +水解生成的氢氧化物具有较强的絮凝吸附能力8 。1. 3电化学氧化法用电解法处理清黑液的基本原理是利用直流电对清黑液进行电解 ,阳极上释放出新生态的氧和氯具有很强的氧化能力 ,能使清黑液中的有机物(如醇、 醛、酚、 脂肪族的酸和糖类等)发生强烈的氧化而分解 ,或使其转化为一些无害的物质 ,最终生成 co2 和 h2o。同时在电解过程中,通过电解槽中的一些物理化学作用 ,将有机物从废水中分离出来 ,使废水得到净化。此外 ,黑液中的水溶性木素也会因酸性增强和结构上的变化而析出。以处理黑液中酚为例 ,其反应如下:电解时在阳极板上释放出氧气和氯气 ,2cl- 2e cl2 4oh- 4e 2h2o + o2 上述反应之后水中将发生下列化学反应 ,cl2 + h2o hclo + hclhclo + oh-h2o + clo-反应中生成的 clo-又能在阳极板上氧化生成氯酸和初生态的氧 12clo-+ 6h2o 12e + 4hclo3 + 8hcl + 6o李洪伟9 采用电解法处理造纸清黑液 ,可以有效地分解、 破坏水中的有机物 ,降低清黑液的 cod。电解槽中电流密度、 氯离子含量、 p h 值、 电极板间的距离是影响电解法去除清黑液中 cod 的重要因素。实验结果表明 ,电解法处理后的清黑液 ,经过苛化处理 ,可以返回用于蒸煮 ,实现循环用水 ,即避免了环境污染 ,又降低了生产成本 ,提高了经济效益。1. 4膜辅助电解法膜辅助电解作为膜分离技术的一种 ,在国外已广泛用于木浆黑液处理的研究10 ,11 。装置阳极区为造纸废水 ,阴极区为稀的 naoh 导电液 ,中间用可以抗污染的阳离子交换膜分隔开 ,在外加直流电场作用下 ,黑液中的 na+通过阳离子交换膜迁移到阴极区 ,阴极区的 oh-由于阳膜对阴离子的阻断作用而留在阴极区 ,并与迁移来的 na+结合生成 naoh 而被回收;同时 ,在电场作用下 ,阳极发生 h2o 分子失去电子的氧化反应 ,生成 o2 和 h+,阴极发生 h2o 分子得到电子的还原反应 ,生成 oh-和 h+。随着阳极区 h+浓度的增加 ,黑液中的木素等有机酸钠盐发生酸析反应 ,生成木素等有机酸而析出 ,同时释放出 na+并被回收 ,即有机酸中的 na+也被回收 ,因此 ,采用这种方法回收黑液中的碱更为完全。最佳操作条件如下:阳极区草浆黑液强制搅拌 ,工作电压 4. 5 v ,处理时间 30min。黑液的碱回收率可达 90 %左右 ,电流效率大于70 % 12 。许力等 13 用超声波膜电解技术处理造纸废水 ,废水的碱回收率高于其它膜电解技术 ,出水可适当投加废酸使木素进一步沉淀。2影响电化学法处理废水效果的因素2. 1电极材料在不同性质的电极材料上 ,有机物发生氧化还原反应的可能性和速率 ,以及副反应的发生程序不同。电极材料的性质及其表面积在电化学氧化还原反应动力学中起着主要的作用 ,在复杂的氧化还原反应中尤为明显。电极材料对电还原反应的影响往往归因于在它上面出现析氢电位 ,氢过电位高的金属往往促进还原反应 ,在这样的电极上一些难以还原的物质比较容易达到其可被还原的电位。同样 ,电极材料对电氧化反应的影响也归因于在它上面出现的氧过电位。一般来说 ,难降解有机物的氧化需要具有高氧过电位的电极。在电化学反应中 ,电极表面区域随着电荷移动而伴生非均相催化反应 ,因此 ,参与反应的电荷的移动速率同样影响着催化反应的速率 ,电荷的移动速率是由电极的电位 ,即电极电位和过电位决定的 ,其中电极电位由电极基体材料决定。尽管电极类型各异 ,但对它们有共同的要求 ,即好的导电性和耐蚀性。用 sb2o3覆盖的 ti/ sno2 电极是一种有高析氧电位、 催化性能优良、 导电性良好、 适于处理有机工业污水的电极 14 。2. 2电解质溶液电解质溶液的浓度对有机物的催化降解速率影响表现在两方面15 :一是电解时 ,溶液浓度太低 ,浓度差很小 ,电流小,降解速率太低。一般情况下 ,随着电解质溶液浓度的增加,槽电压降低 ,降解速率增高。但电解质投入量增大 ,处理费用增加 ,并且会增加溶液中电解质离子浓度。二是电解过程会产生复杂的电化学反应 ,不同的电解质会发挥不同的作用。例如 ,存在 cl-时 ,电解过程中会产生 cl2 、 clo-,存在 so42- 和 co32-时 ,会在阳极被氧化为过硫酸盐和过碳酸盐 ,从而增加对有机物的氧化降解能力。对各有机污染物水处理体系的电催化反应条件进行深入研究 ,确定最佳催化降解条件,对提高催化降解速率、 降低水处理费用是非常必要的。2. 3停留时间停留时间也是工艺设计的一个主要影响因素 ,停留时间越长 ,氧化还原等作用也进行得越彻底。但由于停留时间过长 ,会使材料的消耗量增加 ,造成色度增加 ,也增加了后续处理的负担。所以停留时间并非越长越好,而且对各种不同的废水 ,因其成分不同 ,其停留时间也不一样。停留时间也需根据不同的进水情况而做相应调整 ,进水的初始p h 值低时 ,停留时间可以相对取得短一点;相反 ,进水的初始 p h 值高时 ,停留时间也应相对长一点。3展望电化学法处理造纸废水能量效率高、 可自动控制、后处理简单 ,占地面积少 ,污泥量少 ,是有发展潜力的研究方向。但是在该领域的研究中还存在着许多问题:电流效率仍然偏低、 经济上仍不合理 研究阳极钝化解决途径和污染亏损机理 ,开发更高效的复合型电极电化学法是工业化应用的关键。电化学法降解有机污染物的机理探讨还不是很充分 通过对电化学法降解去除过程中反应中间体、转化物和最终产物的监测与鉴定 ,结合废水和去除物的性质,研究电化学氧化机理 ,建立动力学模型 ,以利于指导研究开发新型电极以及寻找科学的废水处理工艺参数。电解槽的改进设计 在充分考虑各方面影响因素的条件下 ,设计高效合理的电化学反应槽是该领域工业化的必然要求。上述问题的解决将会对造纸废水的综合处理起到巨大的推动作用。参考文献 1 施英乔,丁来保,李萍,等.造纸废水的深度处理研究和工程应用j .江苏造纸,2005 (4) :40245. 2 管永刚.我国造纸企业最近几年治理环境污染的发展态势j .黑龙江造纸,2006 ,34 (4) :45249. 3 李颖,张安龙,崔炜. 曝气生物滤池在制浆造纸废水处理中的研究进展j .湖南造纸,2006 (4) :45247. 4 陈壁波,李友明,陈常晓,等.制浆中段废水污染处理现状及研究进展j .黑龙江造纸,2005 ,33 (4) :14216. 5 王耀新. 电化学凝聚法处理造纸废水 j . 纸和造纸,2004 (增刊) :70271. 6 幸福堂,刘成焱,刘红.电凝聚法处理造纸中段废水的研究j . 工业水处理, 2005 , 25 (4) : 40243. 7 谭蕾,汤正河,曾祥钦.电凝聚- 空气氧化处理草浆造纸黑液酸析木质素后滤液 cod 的研究 j . 贵州工业大学学报(自然科学版) ,2004 ,33 (1) :79281. 8 肖仙英,陈中豪,陈元彩,等.微电解法处理造纸中段废水及其机理探讨j . 中国造纸,2005 ,24 (7) :14217. 9 李洪伟. 电解法处理造纸清黑液的研究 j . 环境科学与管理,2006 ,3l (3) :1092111. 10 clou tier j n. elect rolysis of weak black liquor j . j pps ,1994 ,19 (6) :23225. 11 beaudry e g, caro r f. elect rolysis of weak black liquorand bleach effluent j . engineering conference ,1996 , 24 : 2632267. 12 钟飞,薛建军. 膜辅助电解处理草浆黑液的碱回收可行性研究j . 化工技术与开发, 2003 ,32 (5) :31234. 13 许力. 超声波膜电解技术碱回收效果的实验研究j .兰州铁道学