初探化學法處理電鍍廢水的理論基礎

2013-01-29 02:13:02王克和魏雪青王海燕

電鍍與環保 2013年5期

王克和，魏雪青，王海燕

（1.大連市表面工程協會，遼寧大連116013；2.梅河口市產品質量檢驗所，吉林梅河口135000；3.中國環境科學研究院，北京100012）

0 前言

化學法目前仍是處理電鍍廢水的最有效的方法?；瘜W法處理電鍍廢水的實質是在處理藥劑和電鍍廢水之間發生一種化學反應。因此，它必然要遵循化學反應的規律和化工反應的原理。

化學反應的規律是研究A物質和B物質能不能生成C物質和D物質，屬于熱力學范疇，并不涉及反應速率的問題。但是廢水處理時（特別是連續式廢水處理設施）需要按要求在單位時間內處理一定量的廢水。這就涉及反應速率的問題，屬于“物理化學”學科中的“化學反應動力學”范疇。

大部分處理藥劑都配成溶液，它和廢水的反應實際是兩種液體的反應。這都涉及“化工原理”學科中的“流體動力學”規律。

但是在眾多的廢水處理資料中較少談到反應速率的問題。筆者在從事電鍍廢水處理工作中慢慢地體會到我們不僅關心“能不能反應”，更關心反應速率能不能滿足我們的實際需求。只有對后者有了一定的認識，在遇到問題時才能更主動。

化工原理和流體力學的內容有很多，我們不是專門研究理論的，只討論和廢水處理有關的內容。

1 化學反應動力學基礎知識［1-2］

1.1 研究對象與內容

化學熱力學不能解決反應速率的問題。如果一個化學反應在熱力學上是可能的，而在動力學上所需時間很長，這樣的反應在實際生產中并不能使用。

化學反應動力學主要研究化學反應速率的問題，即研究操作條件（如反應溫度、反應物的濃度、反應壓力、催化劑等）對反應速率的影響規律。

1.2 反應速率與反應物濃度的關系

反應物的濃度影響著反應速率。因為反應物的濃度越高，各反應物相遇的機會越多，各反應物相互發生反應的可能性也就越大。

1.3 反應速率與溫度的關系

反應溫度越高，反應物分子運動越快，各反應物碰撞的機會就越多（當然不是每次碰撞時分子都進行反應）。溫度高到把反應物分子“激發”到可進行反應的“活化狀態”時，各反應物相互發生反應的可能性就大了。

1.4 催化作用

催化劑是一種不改變化學反應結果，但是能改變化學反應速率的物質。催化劑通過改變反應途徑來加快反應速率。催化劑具有特殊的選擇性，某種催化劑只能加速某種特定的化學反應。

2 流體動力學［3］

流體流動的狀態分為層流和湍流。

層流是指在低流速下流體的流動，流動時不會出現側向的混合，相鄰流體層之間表現為層狀的相對滑動，既沒有交叉流動，也沒有回旋流動的渦流。

湍流是指在高流速下流體的流動，流體流動時沒有確定的跡線，存在交叉流動和渦流。

3 流體流動的描述［4］

化學反應進行的完全程度與反應物料在反應器內的停留時間有關。停留時間是指流體從進入反應器開始到離開反應器為止，在反應器里停留的時間。由于流體流動的復雜性，同時進入反應器的流體不一定能夠同時離開反應器，存在一個停留時間分布。停留時間分布是一個隨機過程，要按照概率論進行描述。

化學反應器的操作方法可分為間歇操作、連續操作和半連續操作。對于間歇操作化學反應器，由于廢水和處理藥劑是同時加料、同時出料，流體粒子的停留時間相同。但是對于連續操作化學反應器，流體是連續的，而流體分子的運動是無序的，分子前移是一個隨機過程。此外，由于流體在系統中的流速分布不均勻、流體的分子擴散和湍流擴散、攪拌引起的強制對流、反應器內的結構缺陷等原因，流體粒子在反應器中的停留時間有長有短，從而形成停留時間分布。

4 影響化學反應速率的因素

4.1 溫度

反應溫度越高，化學反應速率越快。因此，在夏季和冬季要注意對廢水處理流量和加藥量等參數做適當調整。

4.2 反應物的濃度

反應物的濃度直接影響著反應速率。反應物的濃度越高，各反應物相遇的機會越多，各反應物相互發生反應的可能性就越大。因此，在廢水處理過程中為了去除某一污染物，所需藥品的實際投加量可能遠遠超過理論投加量。

在處理六價鉻時亞硫酸鹽的投加量，見表1。亞硫酸鹽與六價鉻的實際投藥比高于理論值。

表1 亞硫酸鹽與六價鉻的投藥比

在處理氰化物時氧化劑次氯酸鈉的實際投加量也高于理論值，見表2。

表2 氧化劑的投加量

這里還要注意一個問題，用亞硫酸鹽處理含鉻電鍍廢水時的化學反應式為：

從反應式中可以看出：亞硫酸鹽還原六價鉻必須在酸性條件下進行。當酸度增加時，反應朝生成三價鉻的方向進行。當pH值為2.0或更低時，反應在5min左右進行完畢；當pH值為2.5～3.0時，反應時間在20～30min；當pH值大于3.0時，反應速率變得很慢。在實際生產中，一般控制廢水的pH值在2.5～3.0，pH值過低則耗酸過多。反應時間控制在20～30min為宜。

4.3 反應槽的結構

在實際生產中采用振蕩、攪拌、鼓風，合理地設計反應槽的形狀、液體進出反應槽的位置等措施，也能增加反應物分子的碰撞機會。

一般在設計反應槽時，廢水進液口和出液口設在兩個對應方向；設置隔板使液體從下向上或從上向下流動，增加與處理藥品的碰觸機會，見圖1。

圖1 設計合理水流方向的反應槽

反應槽設計不合理，在廢水處理中就會出現問題。例如某廠廢水處理站發現一個處理槽的參數總是顯示滯后。后來發現是在處理槽的角上有一個出水口擋板擋住了水流的正常軌跡，原來的進藥口位置正好在水流正常軌跡的角上，所以藥品進入處理槽后不能很快和處理槽里的溶液混合，引起參數顯示滯后。改進了進藥口的位置，這個問題就解決了，見圖2。