關于電化絮凝法處理超細煤塵顆粒應用的研究

謝秀紅，潘建新

（1.江蘇省技術產權交易所江蘇南京210008;2.江蘇地坤環?？萍加邢薰?，江蘇宜興 214206）

0 技術研究背景

目前國內外的煤水處理設備，主要用于大中型發電廠及煤礦和輸煤棧橋碼頭輸煤沖洗中產生的煤污水，主要工藝為加藥靜態混合、機械攪拌反應、沉降分離和過濾等工序。在此工藝基礎上組成的煤水處理設備，經大唐西固電廠、山西平朔煤矸石電廠和華潤常熟電廠的使用，出水水質基本能達到排放要求，但SS在70 mg/l左右徘徊，根據目前電廠建設零排放的要求，用于處理回用顯然不能滿足要求。通過對電化絮凝法用于煤水處理中的研究，解決了國內現有煤水處理設備對超細煤塵無機固體顆粒的去除因工藝的局限性導致出水無法達標，處理回用更是不可能的難題。

電化凝絮是對經過常規凈化后的水進一步凈化的一種處理技術。現有研究發現電化凝絮不僅能除濁、脫色，還能去除水中的重金屬離子和細菌，同時對去除水中的有機物也有一定的效果。它用于超細煤塵無機固體顆粒的技術處理，能使超細煤塵無機固體顆粒得以分離、進行有效治理。

1 電化絮凝法處理超細煤塵顆粒應用的技術原理

電化凝絮是利用電化學方法產生氫氧化物作為凝絮物的一種工藝。作為陽極，在電流作用下，陽金屬離子進入水中與水電解產生的氫氧根形成氫氧化物，氫氧化物絮凝將雜質顆粒吸附，生成絮狀物，而產生沉淀。

a）基本原理（圖1）

圖1 電化絮凝法原理圖

b）作為金屬陽極可以是鋁或鐵

1）如鋁作為陽極時，當直流電源通電后，陽極金屬放電生成為金屬離子并進入水中，即:Al—3e → Al3+

水被電解:H2O→H++OH－

帶正電荷的氫離子在陰極上獲得電子成為氫氣。

并有負電荷的氫氧根離子向陽極移動，并在陽極放電，生成新生態的氧。4 OH－－4e—＞2H2O+2［O］

在陰極產生氫氣氣泡，在陽極產生氧氣氣泡，這些氣泡上升時，就能將懸浮物帶到水面，于是在水面形成了浮渣層，帶到水面的物質增多后，浮渣層就變密或變厚。過程中產生的Al3+與OH－反應生成Al（OH）3，這是一種活性很強的凝絮劑。

2）如果以鐵作為陽極，可能發生的電化學反應是:

鐵的溶解:Fe－2e→Fe2+

Fe2+與OH－反應生成氫氧化亞鐵:Fe2++2 OH－→Fe（OH）2（沉淀）

Fe（OH）2氧化成氫氧化鐵，它也是一種強活性凝絮劑。

反應生成的氫氧化鋁或氫氧化鐵，與水中的懸浮顆粒生成絮狀物，這些絮狀物相對密度Υ小于1時就上浮分離，相對密度Υ大于1時就向下沉淀分離［1］。

c）電化凝絮還有共沉淀作用。電化凝絮產生的Fe（OH）3與水中的金屬氫氧化物共沉淀，如果鋁做陽極時，形成的Al（OH）3還能吸附水中的硅化物和氟化物。同時，在陰、陽極處可發生氧化、還原作用，還可以去除水中的一些有害物質，如氰根被氧化變成CO2和N2而去除，水中Cr6+通過還原成毒性較小的三價鉻。

d）工藝流程對比分析

原有工藝流程見圖2。

對上述的電化凝絮凈水裝置應用于煤污水中超細煤塵無機固體顆粒的處理，在同一主體內首先利用投藥混凝對含煤污水中的大顆粒物質進行絮凝反應，分離出大部份濁度，剩余的超細顆粒及膠體物進入電凝絮裝置，以徹底去除水中的濁度和有機物，經沉淀工藝，處理后的水即可達到污水排放標準，再通過濾床過濾吸附后使水質達到回用水的要求。本工藝單一處理流程中僅用原水提升泵產生的水頭來滿足裝置內各工作點的水力條件。

2 電化絮凝法處理超細煤塵顆粒的主要研究內容

a）優化電化絮凝器在煤水處理中的應用

將煤泥水置于直流電場中，可以看到:煤泥水中懸浮微粒向正極移動，并沉積在正極板上。由此說明，煤泥中懸浮物微粒帶負電荷。懸浮物微粒帶電的原因主要有:1）煤泥顆粒晶格缺陷;2）煤泥膠體微粒表面對溶液中離子吸附;3）煤泥微粒表面的溶解;4）煤泥膠體微粒表面分子的電離。綜上所述，制約煤泥微粒沉降的原因主要有:懸浮微粒闊的靜電斥力，介質粘滯阻力等，此外還有微粒間多分子范德華引力。微粒水化膜特性等因素，對懸浮物微粒沉降也起一定的制約作用。而且，粒徑越小比表面能越大，重力對微粒沉降作用越小，各種表面現象越明顯，對懸浮微粒沉降的制約作用也越大。

因此在通入直流電進入水中的過程中，就同時有兩個作用:一個是產生的氣體將懸浮物帶到水面形成浮渣層進行分離，另一個反應生成的氫氧化鐵是強活性凝絮劑，可以使懸浮小顆粒凝絮起來，依靠相對密度的不同上浮分離或沉淀分離。提高了沉淀設施的凈化效率，并能改善沉渣的脫水性能。以后在研發過程中還需對電化絮凝器的絮凝效果進一步優化，對煤污水的處理機理進行分析對比，為公司的發展及創新打下一個堅實的基礎。

b）進一步優化絮凝池控制工藝——星形折板絮凝

研究粒子的凝聚和長大過程，須關注粒子間的作用力。DLVO理論是目前公認的粒子間作用力模型，比較復雜的粒子間作用力模型有簡單硬球模型、排斥力心勢能函數、方阱硬球模型、Sutherland硬球模型、白金漢勢能模型等。不管何種模型，均承認絮凝過程中，粒子間主要存在三種作用力，它們是Van der Waals多分子引力（色散力）、擴散雙電層斥力和Born斥力。這些力的綜合作用在粒子周圍形成了勢壘或者說排斥能峰。投加絮凝劑可降低膠體粒子吸附電荷數量，達到降低排斥能峰的目的。不管排斥能峰如何被絮凝劑的作用所降低，投加絮凝劑后，排斥能峰仍然存在，并且表現為絮體凝聚所需克服的阻力。絮凝動力學的任務就是為絮凝池中的粒子提供運動接觸條件，并提供粒子克服排斥能峰所需的動能。

研究絮凝過程，主要解決如下問題:1）絮凝池中粒子的接觸碰撞次數;2）絮凝池中粒子的有效碰撞次數。撇開流場不談，首先需要在流場中形成粒子時平均狀態的最大平均相對運動速度，其次要求解決碰撞時的相對運動速度差，并保障所提供動能超過粒子排斥勢壘，以形成盡量多的有效碰撞［2］。

絮凝過程與混合過程既有相同點，又各具特點。絮凝過程中的粒子尺度范圍從膠體尺度跨越至mm量級，絮凝過程關心的問題也由混合過程的擴散問題轉變為更加關心粒子的凝聚和長大。

絮凝池中，由于粒子尺度的增大，不能如混合過程一樣忽略粒子的跟隨性，需綜合考慮梯度凝聚和慣性凝聚。對尺度、密度較小的粒子，粒子跟隨性仍然很好，梯度凝聚仍然是主要的，隨粒子尺度和密度的增大，粒子跟隨性逐漸變差，慣性凝聚成為主要因素。

粒子碰撞和有效碰撞要求粒子之間存在速度差，這個速度差可以通過紊流渦旋利用梯度凝聚和慣性凝聚產生。小粒子隨水流一同運動，而大粒子跟隨性不好，這樣不同粒徑和密度的粒子沿水流運動方向產生速度差。在離心慣性力作用下，粒子受到垂直于運動方向的渦旋離心慣性力作用，也會產生速度差，形成碰撞［3］。

強化梯度凝聚和慣性凝聚，以達到強化絮凝效果的目的，解決方法仍歸結于紊流渦旋控制。與混合過程不同的是，絮凝池由于粒子尺度的增加，有效渦旋的范圍發生了變化。對粒子運動影響最大的是與粒子量級相近的那些渦旋，渦旋的產生與流動空間尺度、流動邊界密切相關，與流動速度的關系極大。因此，在絮凝池中需控制渦旋強度和渦旋尺度，使有效渦旋尺度逐漸增大。為防止絮體破碎，還需適當控制流動剪切力，這就形成了絮凝池的水力分級機制［2］。綜上所述，目前在設備中應用的星形折板絮凝設備在今后的研發中對設備的排列及翼片的設置都需投入人力、物力及財力進行進一步的研究，使該設備更完善，絮凝效果更明顯。

c）優化電化絮凝器的電流參數

目前通電量為333 A·h/m3，電流密度為100 A/m2時，電化凝絮器對煤污水中超細煤塵無機固體顆粒的去除率達91.7%，出水時煤水流量在SS≤8 mg/h;為了得到更好的出水水質，需對電絮凝裝置的槽電壓進一步優化，槽電壓由以下幾部分組成:理論分解電壓、陽極過電位、陰極過電位、電解液歐姆壓降。金屬部分的歐姆壓降。除理論分解電壓外，其余各項因素都與電流密度有復雜的函數關系。在槽電壓相同時，鐵電極的電流密度大于石墨電極，遠大于鋁電極。在實驗條件下鋁電極很快就會鈍化。石墨電極的表觀分解電壓高于鐵電極的表觀分解電壓。在相同電流密度下，高溶液電導對應的槽電壓較低，而且隨著的電流密度增加，不同溶液電導率下的槽電壓差別增大。在槽電壓相同時，隨著電極板間距的增加，電流密度逐漸減小。不同電極板間距下鐵電極的電流密度曲線均呈現良好的線性關系，而且其表觀分解電壓值相差不大。鐵電極的電壓梯度與電極板間距之問存在良好的線性關系。

由此可發現影響廢水濁度去除率的主要因素是通電量。得到一個合理的通電量，達到更高的出水水質，使之更經濟，更合理，是以后重點要開展的工作。

d）進一步研究電極的性能結構、壽命及制造工藝。

電絮凝器的電極主要特點是:使用了可溶性電極和一般用鐵作陽極，不銹鋼篩網或板作陰極。極板材料不同，電解時產生的膠體絮凝劑種類不同，因此對煤泥水的絮凝效果也不同.極板間距是指相鄰兩極極間的垂直距離。應用結果說明，極距越小，單位容積內陽極面積越大，電流效率越高，絮凝效果越好。針對應用煤泥水處理的電極材料和極板間距的進一步研究，優化它們的性能結構及制造工藝，是今后工作的重點。

3 技術效果分析

此技術在七臺河精煤電廠、大連開發區熱電廠二期建設中進行試用，并對該設備進行測試，各項性能優越，出水指標已能達到排放及回用的要求其測試結果為:進水SS≤5 000 mg/l時，出水SS≤12 mg/l;進水SS≤3 000 mg/l時，出水SS≤7 mg/l。現場測試表明，該技術研究具有廣闊的市場前景和技術推廣價值。且該設備裝置具有結構緊湊，占地面積小，不需要使用藥劑，維護操作方便和實現自動化容易的優點。

［1］薛金鳳，馬彥濤，李寧.處理電鍍廢液的新型絮凝劑的研究［J］.重慶環境科學，2002，（4）.

［2］李國紅，石寶友，王東升，等.Al_（13）凝聚絮凝特性初探［A］.中國化學會第八屆水處理化學大會暨學術研討會論文集，2006.

［3］王愛民，楊立紅，張素娟，等.電化學方法治理含染料廢水的現狀與進展［J］.工業水處理，2001，（8）.

［4］鄭曦.高鐵絮凝劑的電合成及其在染料廢水處理中的應用［J］.福建師范大學學報（自然科學版），2002，（3）.