實驗室廢水處理裝置研究與設計

李延秀　劉學文　馬國立

摘要 實驗中經常產生有害氣體、液體或固體，直接排出則污染周圍的空氣和水源，危害環境，危害人體健康，為此設計試制了實驗室廢水處理裝置。該裝置分酸性系統和堿性系統兩部分，酸性系統利用原電池原理處理重金屬離子，并提供部分電能；堿性系統利用太陽能電池產生的電能和部分酸性系統電能，對堿性廢水中的重金屬離子進行電解，形成沉淀物或浮渣，實現廢水的污染物減量和無害化。運行結果表明，該裝置具有較好的推廣應用前景。

關鍵詞 廢水；原電池；電解池；太陽能

中圖分類號 S181.5 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-216-02

Research and Design of Laboratory Waste Water Treatment Device

LI Yanxiu1， LIU Xuewen1*， MA Guoli2*

（1. Resources and Environment Department of Binzhou University， Binzhou， Shandong 256603； 2. Department of Optical Engineering of Binzhou University， Binzhou， Shandong 256603）

Abstract The harmful gas， liquid or solid， often occur in the experiment， the direct discharge is around the air and water， it harms the environment and human health， so the laboratory waste water treatment device is designed. The device is divided into two parts of acidic and alkaline system， the acidic system treat heavy metal ions by primary battery principle and provide part of the energy， basic system electrolysis heavy metal ions of alkaline wastewater using electricity of solar cells and part of electric energy of acid system， the pollutants of waste water become deposits or scum， then achieve the goal of pollutant reduction and harmless treatment of waste water. The running result shows that the device has good popularization and application prospect.

Key words Waste water； Primary battery； Electrolytic cell； Solar energy

實驗室廢水因水量小、污染物種類復雜等原因常稀釋后排放，對其綜合處理的相關研究較少。實驗室廢水的處理不同于工業污水處理，只能采用多單元處理系統進行分類處理，才能降低處理難度和處理費用，簡化操作。常見廢水處理技術包括生物法和物化法，對有機物濃度高、毒性強、水質水量不穩定的實驗室廢水，生物法處理效果不理想，物化法具有明顯的優勢[1-2]。物化法可實現實驗室廢棄物分類處理和可用物質的回收循環再利用，不僅減少化學藥品的浪費，更重要的是減輕環境污染。

筆者針對實驗室廢水中污染物含量高和離子、有機物排放量大的現狀，研制了無外接能源的水處理系統，試制了選擇性好、穩定性好、壽命長、成本較低的可去除重金屬、有機物等的新型水處理系統。

1 設計原理

1.1 水處理系統

1.1.1 酸性系統。利用原電池原理，設置鐵棒與碳棒相間林立，形成多個小型原電池，主反應是鐵置換酸性廢水中的重金屬離子。

負極反應：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e- →Fe3+；

正極反應：Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt、Au等離子先后轉換為相應單質，沉積于碳棒或以氣體形式冒出。

1.1.2 堿性系統。利用電解原理[3]，陰陽極分別用鋁板和鐵板。通過電解池將溶液中的金屬離子還原為單質附著在陰極上。

陽極反應：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e-→Fe3+；

陰極反應：可反應的金屬離子（包括氫離子）。

1.2 太陽能供電系統

根據相關文獻資料，通過供電、用電兩系統的對接參數，確定壓差、流速等條件，優化通量和回收率參數，實現較低運行成本、不需外接能源的研究目標。

2 流程說明

2.1 廢水處理部分

通過pH探頭檢測，利用電磁閥控制對酸堿性廢水的分流處理（圖1），保證處理效果，降低處理成本。

酸性廢水處理單元：存在能用鐵置換的重金屬離子時，通過鐵棒和碳棒收集儲存反應所產生的電能，送至太陽能供電系統的蓄電池，廢水pH漸變至中性，此時反應生成的鐵離子可變為具有絮凝作用的水合物，吸附并沉降廢水中的有機物和重金屬離子。堿性廢水處理單元：重金屬離子發生電解反應時，鐵離子可在堿性條件下產生絮凝作用，處理廢液中的有機物或離子。另外，需解決放大實驗中廢水水質變化帶來的設備適應性問題。

2.2 太陽能供電單元

提高供電、用電兩系統的匹配合理性，提高太陽能供電系統效率效果，優化直流、交流轉換效率。具體電路設計見圖2。

3 單元工作性能分析

3.1 酸性原電池

鐵-碳之間形成了無數個小型原電池，電位低的鐵為正極，電位高的碳為負極，在酸性廢水中發生了電化學反應，鐵發生氧化反應變成二價或三價鐵離子進入廢水，被還原的金屬沉積在負極上，反應不斷進行，pH逐漸升高，鐵離子與氫氧根作用形成具有混凝作用的氫氧化物，與污水中帶負電荷的污染物顆粒相吸，形成絮凝物（也叫鐵泥）而沉降[4-5]。

負極：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e-→Fe3+；

正極：Sn、Pb、Cu、Hg、Ag、Pt、Au等離子還原為單質。

理論上講，只要活性低于鐵的，都可能被置換出來，從而達到除去重金屬的目的。

3.2 堿性電解池

接電源正極的電極，可從溶液中接受電子，輸送給外部電源，稱為陽極，另一端為陰極。廢水中的陰離子向陽極遷移，并在陽極上釋放電子，發生氧化反應；陽離子則向陰極遷移，并從陰極上獲得電子，發生還原反應。

使用鋁或鐵作為陽極時，Al和Fe被氧化，逐漸以離子狀態溶入廢水中，因pH大于7，極易生成氫氧化物，成為混凝劑，進而對各種懸浮物、膠體實現沉淀處理。

當電極自身不參與反應時，在陽極、陰極表面可生成氫氣和氧氣，并以微小氣泡形式逸出，氣泡上升的過程中，可以吸附到顆粒污染物上，產生氣浮分離的效果，廢水中的污染物可以以浮渣形式去除[6]。

4 實驗驗證

選擇化學實驗所產生的實驗廢水進行實驗驗證，該實驗廢水為酸性的含硫酸銅廢水，經過該裝置處理后，廢水pH升

至6.8，廢水顏色也由淺淡藍色變為近無色，裝置全自動運行，操作較簡單，具體反應為：

正極：Cu2++2e-→Cu，2H++e-→H2；負極：Fe-2e-→Fe2+，Fe2+-e-→Fe3+。

反應結果：廢水中的銅離子減少，鐵離子增加，廢水中的銅離子被鐵置換，使廢水顏色由淺淡藍色變為幾乎無色。廢水中的氫離子也被部分置換，使廢水的pH不斷變大，進而鐵離子與氫氧根離子生成具有混凝作用的氫氧化物，部分有機物也因絮凝作用而沉降，所以水體明顯變清[7]，經測定，達到排放水質標準。

5 結論

該裝置試制時采用了全自動控制系統，處理工藝簡潔，操作方便，經實驗驗證后認為處理效果良好，其優勢主要在于：①率先采用“太陽能系統+先進水處理技術”的工藝處理廢水，不需要外接能源，符合國家節能減排以及污染物資源化的污染治理方針；②率先采用多類型集成水處理技術，經技術完善和優化后，可望實現一套裝置同時面向多種廢水的處理模式；③易實現自動控制，避免了人為操作失誤，增加了操作的可靠性，減少了工作量，降低了人力成本，具有較好的市場推廣前景。

參考文獻

[1] 張建梅.重金屬廢水處理技術研究進展[J].西安聯合大學學報，2003，2（6）：55-59.

[2] 孟詳和.重金屬廢水處理[M].北京：化學工業出版社，2000：21-25.