低壓脈沖電解法處理廢乳化液的影響因素

孫小燕 ，張國青

（池州學院 物理與機電工程系，安徽 池州 247000）

低壓脈沖電解法處理廢乳化液的影響因素

孫小燕 ，張國青

（池州學院 物理與機電工程系，安徽 池州 247000）

機械加工中起冷卻、作用的乳化液，循環使用變質后，必須經過處理達到國家規定的排放標準后才可以排放，達到環保的目的。采用脈沖電解法對廢乳化液進行處理，高壓脈沖電解耗能大，對反應器絕緣安全要求高，不利于工業廣泛應用。而鋁電極一低壓脈沖電解法處理可降低電耗，減少電極損失，其COD去除率達到國家達到規定的排放標準。本文研究了脈沖電解法的電流大小、寬度、極板間距和pH值等因素對廢乳化液COD去除率效果的影響。研究表明：酸性和中性介質電解效果好于堿性條件；電極間距可改善電解效果；適宜占空比，脈沖頻率即可發揮脈沖作用，既增強電解效果，又消除鈍化效果；電流密度取適均效果好。

廢乳化液；脈沖電解；鋁電極；影響因素

脈沖電解處理廢乳化液是一種新興而有效的方法，即不斷重復進行“供電-斷電-供電”的電解過程[1]，既有電解法的優勢，又能克服恒穩直流電源的缺陷，使電能耗大大降低。因為脈沖電源的脈沖信號，使得電極上的反應時續時斷，便于反應后離子擴散,濃差極化降低,降低了電能的損耗。脈沖電流的產生是離子在電場作用下流動所形成的。因此在供電時間內，離子濃度會快速降低；在間隙時間內，離子濃度會快速恢復和補充，所以脈沖電解法的電流密度要比直流電解時的電流密度高，廢乳化液的處理效果大大增強。迄今為止，國內外對脈沖電解在電解處理廢水方面的研究還不多，主要側重于高壓脈沖電解法處理工業印染污水等方面[2]，電能耗大，且對反應器絕緣安全要求較高，不利于工業化應用，而低壓脈沖電解法可克服這些缺陷。本文以廢乳化液為處理對象，采用金屬鋁為電極，通過脈沖低壓電解處理方式，通過實驗的方式確定脈沖電解處理廢乳化液的主要影響因素，尋求技術的可行性，為其它類型的難降解、高濃度廢水處理提供更多的技術處理途徑，為脈沖電解法處理廢水技術提供一個重要的發展方向。

1 實驗基本原理

脈沖電解法處理廢乳化液的實質,是利用脈沖電流進行電絮凝，使乳化液破乳，使有毒物質變為低毒、無毒物質[3]。此過程用鋁板做陰、陽兩極，廢乳化液是電解質，接通脈沖電流時，產生電解、氧化還原反應等反應。陽極電解出的Al3+，與水電解出的OH-結合，形成吸附性很強的Al(OH)3，凝聚并吸附廢液中的雜質，且陰極發生的還原反應[4-5]，發生化學反應生成很小的氣泡，可以把電解后的絮凝物夾帶上浮到電解槽的液面，實現油水分離，并降低COD值的目的。實驗時需加入NaCl（加入量為1%）提高廢乳化液的電導率。

電解反應方程式如下所示：

陽極：Al-3e=Al3+陰極：2H2O+2e-→ H2↑+2OH-

總反應：Al3++3OH-=Al(OH)3↓

相關副反應：2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑

Al3++4OH-=AlO-+2H2O H++4H2O+AlO-=Al(OH)3↓

2 實驗部分

其原理裝置圖如下，電解槽中插入兩根5cm×10cm鋁金屬板。由于廢乳化液的電導率很低，所以選擇加入1%的氯化鈉使電導率提高，脈沖電解過程中，極板間距可調，間距越小，效果越好，但是間距太小易造成短路。電極間距增大會導致電極間的電阻增大，消耗電能更多，所以其實驗范圍為5-25mm.

圖1 脈沖電解反應原理圖

2.1 實驗廢乳化液

實驗所用的是某機械廠機加工車床循環使用過的廢乳化液，外觀呈灰白色渾濁，測定其成分的主要參數見表1

表1 廢乳化液主要成分測定參數

2.2 實驗裝置

圖2 實驗裝置

該實驗裝置由脈沖電源、電解槽、斬波器、示波器、鋁棒電極組成。

2.3 主要試驗儀器

電解槽：300mL燒杯；電極：兩個5cm×10cm金屬鋁棒；示波器；PH酸度劑；脈沖電源，型號為GGDF1500A12V，可提供方波電流，占空比可調范圍為 0～1，頻率可調范圍為 0～1000Hz。

2.4 實驗方法

其具體的內容：電源與電解槽中鋁電極連線，加入一定量待測廢乳化液，補充一定質量分數的NaCl以增強其溶液的導電性，調整有關參數，開啟脈沖電源，進行廢乳化液的COD去除試驗，電解過程主要考慮電流密度、脈沖寬度、電極間距、pH值等主要影響因素，做單因素優化試驗。分析其處理效果，定時取樣測定，計算去除率，了解變化趨勢，得出實驗范圍內的最佳參數。

3 實驗結果與分析

3.1 極板間距d對COD去除率的影響

極板的材料選用鋁，電極間距在5～25 mm之間調整，其間距的大小是重要參數之一。用Matlab軟件處理數據，得到d與COD去除率之間關系曲線圖2。

圖3 d與COD去除率關系圖

圖4 i與COD去除率關系圖

從圖3看出兩者之間的變化關系，整個實驗范圍內COD去除率隨d的變化影響不大，但d取10mm時，COD去除率值達到最小。從理論上來說，電極間距應該盡可能的取小些，以減小兩極間的電阻。當電壓取定值時，電極間距增大會導致電極間的電阻增大，消耗更多電能。另外,隨著極間距增大槽壓也呈線性上升，可致電極表面負反應發生，降低了電解效率。因此在不影響操作的條件下，電極距離取較小為宜。

3.2 電流密度i對COD去除率的影響

電流密度i與COD去除率之間的關系曲線如圖4所示。在實驗范圍內，電流密度存在一個最佳值，若電流密度過小，電解產生的鋁離子量就少，很難形成單核或多核鋁，脈沖電解過程中主要表現為中和乳化油或懸浮顆粒表面的電荷而產生凝聚,處理效果不理想；若電流密度過大，產生氣泡多，電極間水流剪切力大，易打碎絮凝體[6]，并且影響絮凝體的沉淀。從節約電能耗考慮，電流密度過大，電流效率降低。故在實驗范圍內，電流密度選擇200～300 A/m2之間值。

3.3 pH值對COD去除率的影響

pH值與COD去除率的關系曲線如圖5，由圖可知，脈沖電解法處理廢乳化液，pH對電解效果影響較大，中性偏酸性條件下比在堿性條件下處理效果好。當5≤pH≤7時，COD去除率處于較高水平，溶液的pH值為7時，即溶液呈中性時，COD的去除率達到最大值。有資料顯示：當水溶液的pH<4時，水中的A13+以六配位水合鋁離子Al(H2O)63+的形式存在，未發生任何水解，隨著pH的上升，AI(H2O)63+通過Al(OH)+、Al(OH)2+等過程產物逐漸向Al(OH)3轉變，這時水的混凝效果也越來越好。當溶液堿性很大時，Al(OH)3重新溶解，生成偏鋁酸離子A102-,混凝作用逐漸消失，COD去除率沒有顯著的變化[7-9]。在實際生產中，廢乳化液產生量較大，調節pH值所需費用也較大，加入添加劑又容易給廢乳化液后續處理帶來困難。所以在本工藝條件下，pH=6～7.5凝絮效果好。

圖5 pH值與COD去除率關系圖

圖6 脈沖寬度tp與COD去除率關系圖

3.4 脈沖寬度tp對COD去除率的影響

用Matlab軟件作出脈沖寬度tp與COD去除率的關系曲線。由圖6可知，脈沖寬度取值越大COD去除率反而降低，說明高頻率對電解效果、電能耗損影響不大。在實際操作過程中，脈沖頻率要取合適值，取值過大，輸出電流接近直流電，失去脈沖和鈍化消除的效果。所以在實際的操作中，脈沖寬度取1ms適宜。

4 結論

(1)脈沖頻率決定電流導通時間而影響廢乳化液COD的去除率，適宜值既可消除鈍化效果，又可增強COD去除率。

(2)pH值對脈沖電解絮凝效果影響較大，由試驗結果可知，中性偏酸性的效果遠比堿性效果要好。

(3)由實驗采用極差分析法可得到，主要條件對廢乳化液的COD去除率影響的主次順序為：pH值>電流密度>脈沖寬度>極板距離。

(4)低壓脈沖電解法處理廢乳化液，工藝設備簡單、成本低，適合于工業廣泛應用，同時為其它類型的高濃度的廢水處理提供了可借鑒的途徑。

[1]張偉方，羅亞田.脈沖電絮凝在廢水處理中的應用[J].上海化工，2006(5)：27-29.

[2]楊紅斌，荊秀艷，王文科.石墨電極一低壓脈沖電解含油廢水影響因素研究[J].環境工程學報，2010(1)：13-16.

[3]徐明，甘勝，賀峰，等.機械加工廢乳化液處理技術的研究進展[J].安徽化工，2010(5)：62-64.

[4]陳彬，朱又春，李彥旭，等.廢水脈沖電解處理節能高效的原因分析[J].環境工程學報，2008(1)：23-26.

[5]李燕成，吳俊奇.水處理實驗技術[M].北京：中國建筑工業出版社2004.

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[9]張偉方，羅亞田.脈沖電絮凝在廢水處理中的應用[J].化工技術與開發.2006，35(7)：31-34.

X 703

A

1674-1102(2011)06-0058-03

2011-10-12

安徽省教育廳自然科學研究項目（KJ2011B107）。

孫小燕（1979-），女，安徽桐城人，池州學院物理與機電工程系教師，碩士，研究方向為工業污染控制技術與設備。

[責任編輯：桂傳友]