電化學(xué)工藝處理電鍍廢水和重金屬?gòu)U水
來(lái)源：杭州回水科技有限公司 閱讀：5648 更新時(shí)間：2010-12-22 09:45目前，電鍍廢水、重金屬?gòu)U水處理的主要傳統(tǒng)工藝一般有以下幾種方法：化學(xué)加藥沉降法、離子交換法、膜分離法和生化處理等。但這些傳統(tǒng)的處理工藝很難達(dá)到提標(biāo)后的排放要求，尤其是重金屬和COD排放限值的要求，有的工藝即使可以實(shí)現(xiàn)重金屬?gòu)U水的達(dá)標(biāo)排放，其投資成本和運(yùn)行成本也給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成很大壓力。環(huán)境保護(hù)所面對(duì)的問(wèn)題更加復(fù)雜，重金屬?gòu)U水治理已成為一個(gè)跨越環(huán)境工程學(xué)科的課題。
鑒于重金屬?gòu)U水濃度稀，成分復(fù)雜，處理達(dá)標(biāo)要求又非常嚴(yán)格，傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)具有難以克服的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：處理劑使用量大、價(jià)格昂貴、反應(yīng)不易控制、反應(yīng)較慢、效果不理想、水質(zhì)差、殘?jiān)环(wěn)定、回收貴金屬難。因此，重金屬?gòu)U水治理技術(shù)的研發(fā)，有以下幾方面的發(fā)展方向：
(1)對(duì)環(huán)境無(wú)影響藥劑的代用品的開(kāi)發(fā)和利用；
(2)無(wú)毒無(wú)害新型水處理藥劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；
(3)物理處理新技術(shù)、生物處理新技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助應(yīng)用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；
(4)功效好、成本低的水處理技術(shù)和藥劑的開(kāi)發(fā)；
(5)加強(qiáng)各種水處理技術(shù)的綜合應(yīng)用等。
電化學(xué)法是近年發(fā)展起來(lái)的頗具競(jìng)爭(zhēng)力的電鍍廢水、重金屬?gòu)U水處理方法。它利用電化學(xué)原理處理廢水，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①無(wú)需添加任何氧化劑、絮凝劑等化學(xué)藥品；②既可單獨(dú)處理又可與其他技術(shù)相結(jié)合，提高廢水的可生化性；③不會(huì)或很少產(chǎn)生二次污染；④設(shè)備體積小，占地少，操作簡(jiǎn)便靈活。因此該法被稱為清潔處理法。電化學(xué)法處理重金屬?gòu)U水，系統(tǒng)運(yùn)行成本明顯降低，去除污染物的效果和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益顯著，為實(shí)現(xiàn)重金屬?gòu)U水治理提供了一條有效途徑。
1、目前電化學(xué)處理重金屬?gòu)U水工藝包括以下方法：
（1）電凝聚法：利用電解氧化鐵屑、鐵板或鋁板等生成Fe2·Fe3+或Al3+，再形成Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀物，通過(guò)絮凝、沉降去除水中污染物。電凝聚法的最新研究方向是周期換向的脈沖信號(hào)電凝聚，既具備高壓脈沖電凝聚法的優(yōu)點(diǎn)，又由于兩極均可溶，更有利于金屬離子與膠體間的絮凝作用，防止電極鈍化。
（2）磁電解法：在電解槽外加磁場(chǎng)構(gòu)成電解體系對(duì)重金屬?gòu)U水進(jìn)行電解的過(guò)程。其機(jī)理是重金屬?gòu)U水在電解時(shí)離子受到電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力的共同作用，使其離子運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜化并降低濃差極化，促進(jìn)電解過(guò)程的傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)，提高電解效率。磁電解技術(shù)常常和其他電化學(xué)處理工藝相結(jié)合，以提高處理效果。
（3）電滲析法：在直流電場(chǎng)的作用下，利用陰離子或陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子進(jìn)行選擇性透過(guò)，使陰、陽(yáng)離子定向遷移，從而實(shí)現(xiàn)水體中的溶質(zhì)與水分離。是一項(xiàng)比較成熟的膜分離技術(shù)，可處理電鍍廢水、冶金工業(yè)廢水及其他含銅、鉻離子的廢水。電滲析在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，兩極有電化學(xué)反應(yīng)，電極腐蝕物聚集，電阻增大，電耗隨之增加，所以必須向電極室通入較大流量的水以排除電極反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕物。
電滲析可分為單極性膜電滲析、雙極性電滲析。傳統(tǒng)的單機(jī)性膜存在電極耐久性欠佳及易發(fā)生堵槽等不足，因此目前研究熱點(diǎn)是雙極性膜電滲析。將雙極性膜與單極性膜組合，是重金屬?gòu)U水處理工藝未來(lái)發(fā)展的新方向。
（4）電還原法：用于重金屬?gòu)U水處理屬于陰極還原法。其機(jī)理為陽(yáng)極采用惰性電極，對(duì)廢水進(jìn)行電解，重金屬離子在靜電引力的作用下，向陰極遷移，從而在陰極表面發(fā)生沉積。該法技能去除溶液中的重金屬離子，又能從廢水中回收高純度重金屬。但一般重金屬?gòu)U水濃度低，采用傳統(tǒng)二維電極電解時(shí)，電流密度小，電解效率低，電耗大。因此，傳質(zhì)問(wèn)題也成為要解決的難點(diǎn)，各類(lèi)高效傳質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)器也成為研究重點(diǎn)。
針對(duì)普通平板電極電還原較慢的缺點(diǎn)，固定床、流化床、四級(jí)連續(xù)流動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)器已成為電還原法的研究方向。
（5）內(nèi)電解法：又稱微電解。其機(jī)理是在電解槽中填充活性填料，當(dāng)廢水通過(guò)電解槽時(shí)，以廢水為電解質(zhì)媒介，活性填料就形成了原電池，通過(guò)填料表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)和絮凝作用達(dá)到凈化廢水的目的。在微電解工藝中，常用反應(yīng)材料為鐵屑（鑄鐵屑、鋼鐵屑）或鋁鐵屑加入石墨或炭粒。探討復(fù)合微電解技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理、過(guò)程動(dòng)力學(xué)是目前該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
（6）絡(luò)合—超濾—電解集成技術(shù)：為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)廢水再生回用和重金屬回收，可將電化學(xué)、絡(luò)合、超濾等幾種技術(shù)集成起來(lái)處理電鍍廢水、重金屬?gòu)U水，同時(shí)發(fā)揮各種技術(shù)的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水重金屬離子的最有效去除。
2、電化學(xué)法與傳統(tǒng)的物化、生化法等工藝處理的特點(diǎn)比較
工藝 方法 COD去除率 (%) 出水 銅離子 (mg/l) 出水 鎳離子 (mg/l) 運(yùn)行成本 污泥數(shù)量 設(shè)備維護(hù) 工藝弱點(diǎn) 化 學(xué) 法 30% 0.5 0.8 用電量大，加藥劑較多，操作復(fù)雜，污泥量大，需操作人員多，成本高，通常為4元/噸。 污泥量大，回收價(jià)值低，有害固廢物處置費(fèi)高。 設(shè)備受酸堿腐蝕大，維修頻繁，設(shè)備壽命短。 藥劑費(fèi)高，一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)困難，特別是Ni、Cu含量高。 生 化 法 60% - - 培菌溫度降低，氣溫 污泥量少，回收價(jià)值高。 設(shè)備數(shù)量少，大部分在中性條件下運(yùn)行，故障率低維修簡(jiǎn)便。 母菌培養(yǎng)較難 電 化 學(xué) 75% 以上 0.3 0.1 系統(tǒng)運(yùn)行成本3元/噸，出水可達(dá)到太流流域排放指標(biāo)。 污泥量少，廢渣可回收。 維護(hù)簡(jiǎn)單，僅需更換電極。
3、電化學(xué)法原理及關(guān)鍵技術(shù)
（1）由杭州回水科技有限公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的全封閉、旋流式的高效電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，將電解槽的流道設(shè)計(jì)為三維流體接觸面，即溶液與極板在X軸、Y軸與Z軸方向都有接觸，電化學(xué)反應(yīng)效率高；固液分離時(shí)間設(shè)計(jì)值為45～60分鐘，水流轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值為80轉(zhuǎn)/分鐘，可以由此確定反應(yīng)器的容積大小，以避免產(chǎn)生污染物的回融現(xiàn)象，并有效防止極板鈍化。
高效電化學(xué)旋流式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖
回水科技設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高效電化學(xué)旋流反應(yīng)器是重金屬?gòu)U水電化學(xué)處理系統(tǒng)的主設(shè)備，其工作原理如下：重金屬?gòu)U水通過(guò)進(jìn)水管1，進(jìn)入電化學(xué)反應(yīng)器，廢水上升過(guò)程中通過(guò)復(fù)合極板3產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，傳動(dòng)輪2帶動(dòng)攪拌槳葉4繞軸（傳動(dòng)軸6）轉(zhuǎn)動(dòng)，使水流以旋流狀態(tài)與復(fù)合極板3充分接觸，從而提高電化學(xué)反應(yīng)效率。
高效電化學(xué)旋流反應(yīng)器工作原理圖
（2）電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜，存在著許多副反應(yīng)（如陰極析氫反應(yīng)、陰極氧還原反應(yīng)、多種金屬離子間的相互作用等），可能導(dǎo)致污染物的回融和極板鈍化。因此，陰極極板的材料選擇也是技術(shù)關(guān)鍵之一。
回水科技設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的電化學(xué)反應(yīng)器中的陰極極板，是特制的三層結(jié)構(gòu)復(fù)合ACF極板。極板上、下兩層為復(fù)合ACF（在活性碳纖維中添加鉑、鈦、釕等稀有金屬改性而成），中間層為極板骨架，是采用硬質(zhì)絕緣材料（如PVC、尼龍等）制作成極薄的網(wǎng)狀支撐結(jié)構(gòu)，單個(gè)極板尺寸可達(dá)600*
另外，電化學(xué)反應(yīng)器的旋流式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使極板與溶液通過(guò)水流旋轉(zhuǎn)有三維流道接觸面，解決了普通ACF板易污堵的問(wèn)題，能有效地促進(jìn)體系H2O2的產(chǎn)生量，強(qiáng)化電化學(xué)氧化還原反應(yīng)效率，從而提高了重金屬和COD的去除效率。
（3）攪拌裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理
回水科技設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的高效電化學(xué)反應(yīng)器所帶的攪拌裝置由傳動(dòng)軸、傳動(dòng)輪和攪動(dòng)槳葉構(gòu)成。其中，攪動(dòng)槳葉是由一系列一字型葉片構(gòu)成，相鄰葉片互成9O角均布在傳動(dòng)軸上，在傳動(dòng)輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，使縱向水流轉(zhuǎn)為旋流式流態(tài)，可以使電化學(xué)反應(yīng)的物料混合均勻，提高傳質(zhì)效率和電化學(xué)反應(yīng)效率。
電化學(xué)反應(yīng)器傳動(dòng)軸與攪拌槳葉結(jié)構(gòu)圖
旋流式高效電化學(xué)反應(yīng)器，必須在高強(qiáng)度的脈沖電場(chǎng)中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，這不同于通常的工業(yè)用電要求。通常在工業(yè)用電中常見(jiàn)的是單相220伏或者三相380伏交流電，頻率一般是50赫茲；這兩種電都是連續(xù)的正弦波，而污水處理所需的是高頻脈沖電場(chǎng)。由杭州回水科技有限公司自主開(kāi)發(fā)的電化學(xué)電源就是將低頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻脈沖電的設(shè)備。
其基本工作原理是：將單相或三相交流電整流濾波為直流電，再通過(guò)半橋DC/DC變換電路形成30～50KHz的高頻直流電，該高頻直流電在輸出端通過(guò)兩個(gè)2單元的IGBT模塊輸出到負(fù)載（電化學(xué)反應(yīng)器），IGBT將電源頻率控制在6KHz以下（可根據(jù)需要在此范圍內(nèi)任意設(shè)定）。電化學(xué)電源一般為恒流源（輸出電流的均值），在運(yùn)行中首先給定一個(gè)電流設(shè)定值，PWM控制器通過(guò)檢測(cè)輸出電流的變化，調(diào)整高頻部分的電壓幅值，從而使得電流保持恒定。
杭州回水科技有限公司自主開(kāi)發(fā)的可控型電化學(xué)電源，其脈沖寬度、頻率的調(diào)整范圍大大增加，電壓最高值可達(dá)1000V，最大電流可達(dá)
電源的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與反應(yīng)運(yùn)行情況監(jiān)控可以通過(guò)PLC實(shí)時(shí)處理控制，并在顯示屏上顯示工作狀態(tài)。電源內(nèi)置的PLC也同時(shí)接收電化學(xué)反應(yīng)器的控制信號(hào)，包括液位傳感器、溫度儀、PH在線監(jiān)控儀、在線COD檢測(cè)儀、在線電導(dǎo)率儀等，通過(guò)系統(tǒng)控制程序協(xié)調(diào)反應(yīng)器與電源的運(yùn)行與工作狀態(tài)。
電化學(xué)電源工作狀態(tài)示意圖
