自制電凝聚反應器降解活性艷藍KN-R的因素研究

劉釗

(武漢紡織大學環境工程學院,湖北 武漢 430200)

1 引言

電凝聚法處理印染廢水是常用的處理方法之一,本研究采用的反應器是在傳統設備基礎上,綜合考慮電極鈍化等因素自行改進設計的[1,2]。活性艷藍KN-R模擬染料廢水為處理對象。考察了電解時間、電解質的濃度、電流密度和攪拌速率對降解效果的影響,得到了該反應器最佳反應條件。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置

實驗用裝置為自制環流多段式型電凝聚器,裝置示意圖如圖1所示。

圖1 電凝聚槽示意圖

2.2 實驗方法

用蒸餾水配置成濃度為100mg/L的模擬KN-R廢水,采用單因素優化實驗方法考察電流強度、通電時間、攪拌速度、電解質NaCl投加量對脫色率和CODCr的去除率的影響。為確保每次實驗條件的一致性,實驗完畢均用稀硫酸浸洗反應器。

3 實驗結果分析

3.1 電流強度的影響

分別用電流強度2A,4A,6A,8A,10A對100mg/L的KN-R模擬廢水進行處理,將攪拌速率控制在V=50r/min,調節p H=7,倒極頻率60s/次,NaCl投加量為2g/L,出水靜置30min后取上清液,CODCr隨反應時間的降解率如圖2所示。

由圖2發現:對于一定大小的電極板,攪拌速率一定的情況下,電流強度大小決定了單位時間內電解出鋁離子、氧氣、氫氣的速率及電極表面氧化還原反應的能力的大小。隨著電流強度增大,在反應時間到達40min時,CODCr的去除率越大;電流強度越大,單位時間內電解產生的Al3+的數量越多,形成的Al(OH)3水合膠粒越多,所能絮凝的染料分子量越多,CODCr在相同時間內降解的速率越快。

不同的電流強度下,CODCr的降解速率最快階段出現的時間不同。電流強度越大,出現這個階段的時間越早;電流強度越小,這個階段越晚,電流強度為2A時,至設定反應時間結束時,仍未出現降解速率最快階段。

電流強度越大,對水及電解質NaCl的電解氧化作用越明顯,因而相同時間內,產生的 O3-、HClO、ClO-速率越快,所能氧化斷鍵的染料分子水量越多。因為電凝聚過程中,從開始電解出鋁鹽離子到溶液中存在大量Al(OH)3膠體是一個水解反應平衡過程,最基本的水解方程式如下:

當電流強度越大時,越能縮短溶液內滿足Al(OH)3達到最大濃度時所需Al3+濃度的時間,越能縮短最快反應速率出現時間。圖2的結果顯示,選用8A或10A電流強度時,色度去除率在反應25min時均能超過90%,CODCr去除率在反應進行到30min時都在60%左右,相差不大,故從經濟角度考慮,在保證一定出水水質情況下,選用8A電流強度處理100mg/L的KN-R模擬廢水是合理的。

圖2 電流強度對CODCr去除率的影響

3.2 通電時間的影響

選用8A電流強度,pH控制為7,攪拌速率調節為50r/min,NaCl投加量控制在2g/L,倒極頻率60s/次,對100mg/L的KN-R模擬染料廢水進行處理,定時取樣,靜置30min,測得通電時間對模擬廢水色度及CODCr去除率影響如圖3所示。

由圖3可知,在電解初期色度和CODCr去除速率都比較快,到了電解后期降解速率趨于平緩。隨著電解的進行,溶液內絮體濃度越來越大,析氧反應加快,同時由于溶液中染料分子濃度降低,分子間發生碰撞的幾率較前期大大降低,反應速率降低,隨著氧化反應的深入,溶液中殘余的小分子氧化電位可能升高,氧化反應所需的活化能增大,降解速率降低。色度去除率在反應進行到25min就達到了93%,此時CODCr去除率達到 55%,繼續反應時,去除率變化速率變慢。達到30min以后,兩項指標降解速度較慢,為提高出水效果,將反應時間確定為40min。

圖3 通電時間對CODCr和色度去除率的影響

對實驗結果進行數學分析,發現對于100mg/L的KN-R模擬染料廢水,采用8A恒電流直流電電凝聚時,CODCr和色度去除率隨反應時間遵循以下二級模擬反應動力學,相關性較好,相關系數分別為0.9862和0.9531。CODCr模擬反應動力學方程為:

色度模擬反應動力學方程為:

3.3 電解質投加量的影響

控制反應電流強度為8A,將攪拌速率控制在V=50r/min,調節 pH=7,倒極頻率60s/次,對初始質量濃度為100mg/L的KN-R模擬染料廢水進行降解,反應時間控制為40min,分別投加 0g/L、1g/L、2g/L 、4g/L 、8g/L 的 NaCl電解質,出水靜置30min,考察電解質NaCl投加量對色度和CODCr去除率的影響如圖4所示。

圖4 NaCl投加量對CODCr和色度去除率的影響

圖4表明:隨著反應水樣中NaCl濃度從0g/L增加到2g/L,反應液中Cl-濃度隨之增大,單位時間內被電極電解生成的具有強氧化性HClO、ClO-的量增大,氧化斷鍵的染料分子的量也增多,造成CODCr和色度的去除率增大;當NaCl濃度進一步提高時,CODCr和色度的去除率并沒有明顯增加趨勢。由此可判定2g/LNaCl濃度為該種反應器降解低濃度染料廢水最佳濃度。

NaCl投加量的對降解效果的影響主要有以下原因:一方面,在一定濃度范圍內,NaCl濃度的增大能夠提高電極板上析氯電位。析氯電位隨著Cl-濃度的增加而降低,活性氯的量隨之而增多,使得反應器對染料分子間接氧化能力增強;同時Cl-濃度的增加,使陽極上的吸附競爭加強,副反應減弱,因而使脫色率升高。但當 NaCl濃度較高時,產生的活性氯足夠多,Cl-在陽極上的吸附也基本達到飽和,繼續增大NaCl濃度,染料的降解情況就不明顯了。另一方面,由于NaCl的存在,電解產生的氯氧化物能夠及時與電極表面的附著膜層發生反應,削弱極板鈍化作用,延長了反應的有效時間。

3.4 攪拌速率的影響

調整進水NaCl濃度為2g/L,電流強度保持8A恒定電流,調節pH=7,攪拌槳攪拌速率分別采用為 0r/min、20r/min、50min/min、80r/min、100r/min,出水靜置30min,對濃度為 100mg/L的KNR模擬染料廢水進行40min降解,定時取樣,考察攪拌速率CODCr的影響如圖5和圖6所示。

從圖5觀察發現:當攪拌速率為0時,色度去除率隨時間按增加平緩,達到40min反應終點時,色度去除率為61%;攪拌速率為20r/min時,色度去除率較 0r/min稍高,反應終點時,色度去除率為86%;攪拌速率為50r/min或80r/min時,色度去除率上升很快,到達 25min時為93%左右。反應繼續,80r/min的攪拌速率條件下的脫色率能繼續緩慢上升,50r/min則保持不變;而采用100r/min的高攪拌速率時,反應前期,脫色率上升速度快效率高,在20min達到最高點,隨后脫色率出現了急劇下降趨勢,30min后又趨于平緩。

從圖6發現:CODCr的去除率與攪拌速率的關系變化與色度去除率相類似,所不同的是采用80r/min攪拌速率時,CODCr的去除率要比采用50r/min攪拌速率高出5%。

對于染料濃度、NaCl濃度一定的染料溶液,其溶液中Cl-濃度是相同的;采用固定的電流強度降解時[3],其電極上氧化還原電位也是相同的,然而采用不同攪拌速率時,出水的色度和CODCr的去除率差別巨大,推測其原因為:一方面,采用不同攪拌速率時,電極板表面電解離子的傳質速率不同,攪拌速率越快,傳質速率越高,由電解平衡原理知電極表面多溶解的鋁鹽越多,產生的具強氧化性的氯氧化合物越多,單位時間內通過吸附、氧化手段降解染料分子越多;另一方面,攪拌造成的水力紊流能提高染料分子與強氧化性分子反應的幾率,提高小分子染料與Al(OH)3水合膠粒的結合概率。攪拌速率越快,提升的效果越明顯。但是,當電極表面溶解鋁鹽速度達到飽和以后,過高的攪拌速率對提高電解作用效果不再明顯,過大的水力紊流反而會把凝聚成團的絮體打碎,導致出現處理效果回落的現象。

圖5 攪拌速率對CODCr去除率的影響

不同攪拌速率所形成的絮體大小、密度存在較大差異,導致出水絮體的沉降性能也存在較大差別,不同的攪拌速率下,反應40min,取出水測定出水濁度,然后靜置10min,再次測定濁度,按下列公式計算絮體沉降率,得到攪拌速率與絮體沉降率關系如圖6所示。

圖6 攪拌速率對絮體沉降率的影響

從圖6可以看出,采用80r/min時,所得絮體沉降率最好,10min達到83%;采用過低攪拌速率0r/min時,所得絮體沉降性能最差;過高攪拌速率100r/min時,出水的絮體沉降性能也不佳。出現這些情況的原因可能為:過低的攪拌速率導致絮體碰撞幾率小,力度不夠,形成絮體小而蓬松,不易沉降;過高的攪拌速率雖增大了絮體碰撞幾率[4],但過大的水力剪切力會打碎已有的釩花,使絮體體積小,難沉降;只有適宜的攪拌速率能使絮體易抱團、壓實,具有好的沉降性能。綜合考慮處理效果和絮體沉降性能,80r/min攪拌速率為最佳攪拌速率。

4 結語

通過上述的試驗研究,確立了各項因素的最佳條件如下。

(1)降解初始質量濃度為100mg/LKN-R的模擬染料廢水時,最佳電流強度I=8A,最佳通電時間t=40min,最優攪拌速率V=80r/min,最佳倒極頻率為60s/次,最佳NaCl濃度為2g/L。

(2)在最佳條件下,CODCr和色度去除率分別達到68.8%和98%。

(3)采用8A恒電流直流電電凝聚時,CODCr和色度去除率隨反應時間遵循以下二級模擬反應動力學,相關性較好,相關系數分別為0.9862和0.9531。

[1]王 娟,陸雍森,趙大傳.活性染料廢水的電解絮凝預處理研究[J].給水排水,2005,31(2):51～54.

[2]劉增超,劉文輝,鄭先俊.電絮凝-氣浮法對印染廢水脫色的實驗研究[J].工業安全與環保,2007,33(4):8～10.

[3]Tunay O , Kabdasli I , Eremektar G , et al.Color removal from texi-tile waste water [ J] .Water Science Technology , 1996 , 34(11):9～16 .

[4]丁忠浩.有機廢水處理與應用[M].北京:機械工業出版社,2006.