電化學轉盤法處理切削液廢水

鐘登杰

(重慶理工大學 化學化工學院，重慶400054)

在金屬加工過程中經常會用到切削液，其主要作用是降低摩擦、潤滑表面、冷卻、帶走刨花等。切削液主要含有油、水、表面活性劑和各種添加劑(防泡劑、殺菌劑和防銹劑)。切削液在使用過程中由于熱降解和加工過程中所產生的微粒增多而失去潤滑和冷卻作用，所以需要替換，從而會產生大量的廢液。這些廢液如果不經處理直接排放，其所含的重金屬和熱降解所產生的有害物質將對土壤和水體造成污染。處理切削液廢水的傳統方法主要有蒸發［1］、冷凍［2］、膜過濾［3－6］和吸附等，但這些方法只是將有害物質從廢水中分離出來，有害物質并沒有被降解成無害物質。另外，切削液廢水具有毒性，所以很難用生物法去處理［7－10］。水熱氧化法能有效地處理切削液廢水［11－12］，但該法所需條件苛刻，難以滿足。

電化學方法是一種“綠色高級氧化”廢水處理技術，具有經濟、高效、所需空間小等優點。電化學方法已被成功應用于各種廢水處理中，如染料廢水［13－15］、壬基酚廢水［16］、含酚廢水［17］、含氰廢水［18－19］、制革廢水［19］和橄欖油廢水處理［20－21］。

為了提高電化學反應的效率、降低副反應的發生，近年來研究者們發現了新的電極材料［22－25］和反應器［26］。對于電化學反應而言，傳質速率和溶解氧濃度都是重要的影響因素，會限制整個反應速率。本文設計了一種新型電化學反應裝置，并用于處理切削液廢水。陽極和陰極交替均勻地分布在一個圓盤上，用導線分別連接。通過轉動圓盤，電極表面靜止液膜的厚度減少，這在很大程度上會提高傳質速率。同時，轉盤有一半暴露在空氣中，另一半在溶液中，這樣隨著轉盤的轉動，可以加速氧氣從空氣中溶解到主體溶液中，加速氧化［27］。在陰陽極之間分布活性炭顆粒。處理廢水時，活性炭顆粒在電場作用下產生極化，生成很多微小電池。這樣就可以加大反應器的有效電極面積，縮短有機物的遷移距離。

1 材料和方法

從某機械廠所取的切削液廢水的主要成分為:COD 14 356 mg/L，含油量4 326 mg/L，pH值為7.75。COD采用重鉻酸鉀氧化法測定，含油量采用420 oil IR紅外分析儀測定，pH值采用PHS－3B酸度計測定。

電化學反應裝置如圖1所示，主要包括1個弧形電解槽、電化學轉盤和直流電源。電化學轉盤是一個直徑為18 cm，厚度為3.6 mm的有機玻璃盤。陰極為6 cm長、1.2 cm寬、2.1 cm厚的鐵片。陽極為6 cm長、1.2 cm寬、2.7 cm厚的石墨片。顆粒活性炭(平均粒度為1.0 mm)分布在陰陽極之間，陽極和陰極通過導線分別與電源的正負極相連。通過調速器來控制轉盤的轉速。圖2是一個傳統的電化學反應器，電極材料和面積均與電化學轉盤法相同，采用磁力攪拌。

每次實驗所用水樣為400 mL。顆粒活性炭在使用之前先用切削液廢水浸泡，達到飽和。電解電壓控制在10 V。

2 結果與討論

2.1 轉速的影響

在電壓為10 V的條件下，將轉盤的轉速分別控制在0，30，60和90 r/min。從圖3可以看出，隨著轉速的提高，切削液廢水中油的去除率得到提高。這是由于電化學轉盤的轉動能加快主體溶液和電極表面之間的傳質。當轉速超過60 r/min后，油的去除率相對穩定，提高電化學轉盤的轉速不再能大幅度提高廢水中油的去除率。

圖3 轉盤轉速對廢水中油去除的影響

2.2 電化學轉盤法和傳統電解法去除油含量的比較

從圖4可以看出，在去除切削液廢水中的油量方面，電化學轉盤法明顯優于傳統電解法。

圖4 電化學轉盤法與傳統電解法在油含量去除效果方面的比較

2.3 COD去除率

從圖5可以看出，切削液廢水COD去除率隨反應時間的延長而上升。在反應的前90 min內，COD去除率上升很快。反應90 min后，COD去除率上升不明顯。經過90 min電解，切削液廢水中的COD去除率能達到83.7%，但切削液廢水剩余的COD還有約2 000 mg/L，所以，電化學轉盤法可以作為切削液廢水的預處理方法。

圖5 電化學轉盤法去除廢水中的COD

2.4 降解機理初步研究

電化學方法總是有自由基參與反應［14，29－30］。自由基反應是有機物氧化的關鍵［29］。電化學反應過程中所產生的自由基一旦生成，就立即無選擇性地與反應介質中的有機物發生反應。反應的初步機理為:有機物分子吸附到電極表面→電化學反應過程中產生的自由基將有機物分子氧化→有機物分子降解成有機小分子、最后降解成無害的無機小分子(如CO2和H2O)。

3 結論

1)電化學轉盤法是一種新電化學方法，陽極和陰極交替分布，轉盤的轉動可以加強傳質、加快空氣中的氧氣溶解于主體溶液，有利于有機物的降解。

2)電化學轉盤法能有效地去除切削液廢水中的油量和COD。當轉速為60 r/min，電壓為10 V，pH值為7.75時，電解120 min，油和COD去除效率能分別達到94.9%和83.7%。與傳統的電解法相比，電化學轉盤法在去除切削液廢水的含油量方面具有優勢。

3)由于切削液廢水的初始COD太高，COD去除率達到83.7%，其剩余的COD還有2 000 mg/L，所以電化學轉盤法用于切削液廢水的預處理。

［1］Hadj-Ziane Z A，Moulay S.Microemulsion breakdown using the pervaporation technique:application to cutting oil models［J］.Desalination，2004，170:91－97.

［2］Lorain O，Thiebaud P，Badorc E.Potential of freezing in wastewater treatment:soluble pollutant application［J］.Water Research，2001，35(2):541－547.

［3］Hu XG，Bekassy-Molnar，Erika Vatai Gyula.Ultrafiltration of oily emulsion for metal cutting fluid:role of feed temperature［J］.Environment Protection Engineering，2005，31(3/4):109－118.

［4］Lin S W，Heriberto E G.Development of energy-saving spinning membrane system and negatively charged ultrafiltration membranes for recovering oil from waste machine cutting fluid［J］.Desalination，2005，174(2):109－123.

［5］Madaeni，Sayed Siavash，Yeganeh.Microfiltration of emulsified oil wastewater［J］.Journal of Porous Materials，2003，10(2):131－138.

［6］Nidal Hilal，Gerald Busca，Federico Talens-Alesson，et al.Treatment of waste coolants by coagulation and membrane filtration［J］.Chemical Engineering and Processing，2004，43:811－821.

［7］Taylor G T.Evaluation of the potential of biodegradation for the disposal of cutting fluid from the machining of uranium［J］.International Biodeterioration＆Biodegradation，2001，47(4):215－224.

［8］Van der Gast C J，Whiteley A S，Thompson I P.Temporal dynamics and degradation activity of a bacterial inoculum for treating waste metal-working fluid［J］.Environmental microbiology，2004，6(3):254－263.

［9］Van der Gast C J，Knowles C J，Starkey M，et al.Selection of microbial consortia for treating metal-working fluids［J］.Journal of Industrial Microbiology＆Biotechnology，2002，29(1):20－27.

［10］Karimov R R，Shulaev M V，Emel＇yanov V M，et al.Study of biosorption treatment of spent cutting fluids under anaerobic conditions using various adsorbents［J］.Khimicheskaya Promyshlennost(St.Petersburg，Russian Federation)，2004，81(9):485－488.

［11］Juan R P，López J，Nebot E，et al.Elimination of cutting oil wastes by promoted hydrothermal oxidation［J］.Journal of Hazardous Materials，2001，B88:95－106.

［12］Juan R P，Sanchez-Onet，Jezabel，et al.Hydrothermal oxidation of oily wastes:An alternative to conventional treatment methods［J］.Engineering in Life Sciences，2003，3(2):85－89.

［13］Wang A，Qu J，Liu H，et al.Degradation of azo dye Acid Red 14 in aqueous solution by electrokinetic and electrooxidation process［J］.Chemosphere，2004(55):1189－1196.

［14］Shen Z，Wang W，Jia J P，et al.Degradation of dye solution by an activated carbon fiber electrode electrolysis system［J］.Journal of Hazardous Materials，2001，84(1):107－116.

［15］Roessler A，Jin X.State of the art technologies and new electrochemical methods for the reduction of vat dyes［J］.Dyes and Pigments，2003，59:223－235.

［16］Kuramitza H，Jun S，Toshiaki H.Electrochemical removal of p-nonylphenol from dilute solutions using a carbon fiber anode［J］.Water Research，2002，36:3323－3329.

［17］Korbahti B，Tanyolac A.Continuous electrochemical treatment of phenolic wastewater in a tubular reactor［J］.Water Research，2003，37(7):1505－1514.

［18］Lanza M，Bertazzoli R.Cyanide oxidation from waste-water in a flow electrochemical reactor［J］.Industrial＆Engineering Chemistry Research，2002，41(1):22－26.

［19］Rao N，Somasekhar K，Kaul S.Electrochemical oxidation of tannery wastewater［J］.Journal of Chemical Technology and Biotechnology，2001，76(11):1124－1131.

［20］Israilides C J，Vlyssides A G，Mourafeti V N，et al.Olive oil wastewater treatment with the use of an electrolysis system［J］.Bioresource Technology，1997，61(2):163－170.

［21］Gotsi M，Kalogerakis N，Psillakis E，et al.Electrochemical oxidation of olive oil mill wastewaters［J］.Water Research，2005，39(17):4177－4187.

［22］Subbiah A，Chellammal S，Basha C M.Electrochemical treatment of xylenol orange dye wastewater at RuO2/Ti anode［J］.Bulletin of Electrochemistry，2003，19(3):127－132.

［23］Polcaro A，Mascia M，Palmas S，et al.Electrochemical degradation of diuron and dichloroaniline at BDD electrode［J］.Electrochimica Acta，2004，49:649－656.

［24］Zanta C，Michaud P，Comninellis C，et al.Electrochemical oxidation of p-chlorophenol on SnO2-Sb2O5based anodes for wastewater treatment［J］.Journal of Applied Electrochemistry，2003，33(12):1211－1215.

［25］Zollinger D，Griesbach U，Putter H，et al.Electrochemical cleavage of 1，2-diphenylethanes at borondoped diamond electrodes［J］.Electrochemistry Communications，2004，6(6):605－608.

［26］Xiong Y，He C，An T C，et al.Removal of formic acid from wastewater using three-phase three-dimensional electrode reactor［J］.Water Air and Soil Pollution，2003，144(1):67－79.

［27］Zhong D J，Yang J，Jia J P，et al.Degradation of dye wastewater containing reactive brilliant blue X-BR using a rotating electrochemical disc process［C］//Progress in Natural Science.［S.l.］:special issue，2005:149－154.

［28］Zhou K，Zhou D.Promoting the electrolysis efficiency of a bipolar electrolyser by adding a coated activated carbon［J］.China Journal of Environmental Science，1994，15(2):38－40.

［29］Yang J，Jia J P，Liao J，et al.Removal of Fulvic Acid from Water Electro-chemically Using Active Carbon Fiber Electrode［J］.Water Research，2004，38(20):4353－4360.

［30］Jia J P，Yang J，Liao J，et al.Treatment of dying wastewater with ACF electrodes［J］.Water Research，1999，33(3):881－884.