基于三维电极法的桉木cmp制浆废水的处理

基于三维电极法的桉木cmp制浆废水的处理

除了残余的碱性化学品外，还有特效化合物、糖分解产物和低分子质量酸反应产物。浓度高，颜色深，处理困难。目前普遍采用的生化法处理效果并不理想,动力消耗大,污泥产量高,出水有机污染物浓度偏高。另一方面,CTMP废液颜色极深,若不经有效脱色就排放,会使受纳水体色深浑浊,破坏水体生态环境。传统的二维平板电极法可用于去除多种污染物,但电耗和阳极材料消耗大,副反应多,限制了该技术的发展应用。三维电极法比普通的二维平板电极法比表面积大,传质速率和电流效率高,能耗低,已有应用于处理染料废水、含酚废水以及含油废水的研究报道。本课题应用三维电极法处理桉木CTMP制浆废水,研究了该方法在降解和去除有机污染物、废水脱色方面的效果,以期为CTMP制浆废水的治理探索一条新途径。1实验1.1直流电源及充填三维电极法处理废水在自制的电解槽中进行(如图1)。电解槽为有机玻璃制成,阴极为平板石墨电极,阳极是同形状的不锈钢板,电极间距为5cm。直流电源为TPR6005-3型稳压稳流电源,其整流范围为0~60V、0~5A直流电。填充粒子为1种过渡金属粒子和1种高阻抗粒子(粒度均为2.5~4mm),填充体积比为1∶1,粒子总填充量为150g。曝气管向反应体系提供空气。本实验为间歇实验,一定pH值的废水在电解槽中处理一段时间后,将反应液倒出,在5000r/min下离心8min,取水样分析测定CODCr和色度。1.2电催化氧化还原三维电极法处理废水的基本原理是通过电催化氧化还原反应降解和去除污染物。电极上加一定的电压时,阴阳极之间的电场使电解槽中的粒子静电感应带电,每个粒子成为一个独立的电极(第三极),电解槽中产生了无数个微型电解槽,电化学氧化还原反应在每个粒子表面同时进行。污染物在阳极表面被氧化,在阴极被还原,降解为小分子或无害物质。在电催化氧化还原反应过程中,电极表面生成了强氧化性的活性物质。在酸性条件下,曝气向反应体系提供的O2在阴极还原生成H2O2,同时铁阳极具有较高的活性,被氧化腐蚀产生Fe2+,Fe2+和H2O2反应生成了强氧化能力的自由基HO·。H2O2和HO·具有很高的还原电势,是强氧化剂,能氧化大多数有机污染物。反应过程如下:O2+2H++4e→H2O2Ο2+2Η++4e→Η2Ο2Fe2++H2O2→Fe3++OHFe2++Η2Ο2→Fe3++ΟΗ-+HO·此外,电催化反应过程生成的Fe2+、Fe3+,反应后生成强吸附能力的Fe(OH)2、Fe(OH)3,能吸附废水中的不溶性颗粒和胶体物质,形成絮体沉淀,使废水得到净化。曝气一方面提供了电极反应所需的O2,生成强氧化能力的活性物质,同时起到搅拌作用,加快了传质速度和电催化反应速度。无数微型电解槽的产生极大地提高了电流效率和反应速度,增加了电极面积,使三维电极法具有高效、低耗的特点。1.3废水的采集和处理取一定量的桉木木片(厂家提供),经洗涤后按1∶4的液比加入水和药品,其中NaOH用量为2%,Na2SO3用量为2%(质量分数),在M/K蒸煮系统中快速加热(升温速度为300℃/h)至摄氏100℃,保温一段时间后,放出蒸煮废液作为废水。废水水质如表1所示。CODCr、色度、BOD5、总悬浮物(SS)、pH值等指标均采用国家标准方法测定。2结果与讨论2.1色度去除率与cocdr的关系取150mLpH值为4的废水于电解槽中,调节槽电压为5V,曝气,进行三维电极法废水处理实验,得到反应时间与CODCr和色度去除率之间的关系(如图2)。由图2可知,在30min内,废水CODCr和色度的去除率均随反应时间的增加而增加,当反应时间为30min时,CODCr去除率约为60%,色度去除率约为90%。反应时间超过30min后,CODCr和色度去除率增长缓慢,说明电催化氧化还原反应在30min内基本完成。2.2色度的去除率从图3可见,三维电极法对CTMP废水的CODCr和色度的去除率与槽电压有密切的关系。当槽电压从1V升至9V,CODCr和色度的去除率也随之上升。在槽电压为3V时,CODCr去除率约为60%,色度去除率为90%。此后,随槽电压增加,CODCr和色度去除率变化不大。槽电压小于3V时,电耗增长缓慢,此后随槽电压的增加,电耗迅速上升。这是因为随着槽电压的增加,电极上发生了析氢、析氧等副反应,反应过程的热损耗也大幅增加,造成电能损耗明显增加,电流效率下降。因此,本实验中3V是较佳的槽电压。2.3ph值对cocdr去除率的影响由图4可知,三维电极法对废水的处理效果与pH值密切相关,CODCr和色度的去除率随pH值的上升而下降。在pH值为3~5的范围内,CODCr的去除率约为60%,色度去除率在90%以上,当pH值大于5时,CODCr去除率下降较快,而色度去除率显著下降。这表明酸性条件有利于三维电极电催化氧化还原反应的进行。2.4废水要注重利用后的化性来研究检测pH值为4,反应时间为30min,槽电压为3V的实验条件下三维电极法处理后废水的可生化性,并与处理前的废水比较(见表2)。由表2可知,BOD5/CODCr从处理前的0.32提高到处理后的0.45,废水可生化性提高,有利于后续生化处理的顺利进行。这是因为三维电极处理过程的电化学反应,破坏了难生化的有机大分子结构,使之分解成易于生化的小分子,同时降低了废水毒性。2.5维电极法图5是二维平板电极法槽电压与CODCr和色度的去除率之间的关系,即电解槽中不装填任何填料时的废水处理效果。实验反应时间为30min。对比图5和图3可见,在相同的槽电压下,二维平板电极法对CTMP废水的CODCr和色度的去除率均不如三维电极法。在槽电压为3V时,二维平板电极法CODCr的去除率低于20%,色度去除率小于10%,分别比三维电极法低40个百分点和80个百分点。这是因为在三维电极法处理废水过程中,电解槽中的每个粒子都成为1个电极,因此电极面积远远大于二维平板电极法,电催化氧化还原反应在每个电极表面同时进行,传质速度和反应速度加快,电流效率和时空效率高。同时,三维电极法处理废水过程中,电催化反应过程生成了强氧化性的物质H2O2和HO·,能有效地降解和去除有机污染物。另外,二维平板电极法的电耗随槽电压的变化趋势与三维电极法相似。对比图3和图5可知,当CODCr去除率同为40%时,二维平板电极法电耗大于30kWh/t水,而三维电极法电耗小于2kWh/t水,达到相同废水处理水平的条件下,三维电极法的节能效果显著。3反应时间和处理效果3.1三维电极法能有效地降解和去除CTMP制浆废水中的污染物,CODCr去除率大于60%,脱色率大于90%。三维电极法对CODCr和色度的去除率与反应时间、槽电压、废水pH值等因素关系密切,在反应时间为30min,槽电压3V,pH值为3~5的条件下,处理效果良好。3.2三维电极法充分发挥了电