電化學(xué)技術(shù)在電鍍重金屬污水處理中的應(yīng)用研究

黃常亮

（廣州市科翔環(huán)保有限公司，廣東 廣州 510000）

引 言

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)工業(yè)獲得了前所未有的高速發(fā)展，但工業(yè)廢水排放量與日俱增，尤其是作為全球三大重污染物之一的電鍍廢水。電鍍就是通過電解方法在導(dǎo)電體制件的表面鍍上一層金屬，從而增強(qiáng)導(dǎo)電體制件的耐磨性與抗腐蝕性，在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量毒性較大且極難降解的重金屬污水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電鍍企業(yè)每年排放的電鍍重金屬污水高達(dá)80億噸，給水環(huán)境造成嚴(yán)重污染。一般來(lái)說，電鍍重金屬污水的成分非常復(fù)雜，含有大量的鉻、鋅等重金屬離子，如果不進(jìn)行處理直接排入河道，會(huì)影響水環(huán)境的pH值，導(dǎo)致河道水體自凈能力降低，而且污水中的重金屬離子會(huì)消耗河道水體中的溶解氧，導(dǎo)致河道中的生物因窒息而亡。與此同時(shí)，如果人、畜等飲用了含有大量電鍍重金屬離子的河道水，將會(huì)影響自身代謝，嚴(yán)重的會(huì)直接中毒，所以電鍍重金屬污水的處理是我國(guó)電鍍行業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)階段，通過吸附、過濾、沉淀等物理手段將污染物從體系中分離出來(lái)的物理法，在電鍍重金屬污水處理中得到了廣泛應(yīng)用。這類物理法操作簡(jiǎn)單，但存在回收困難、處理成本較高等缺陷，不利于電鍍重金屬污水處理的可持續(xù)發(fā)展。因此，本文針對(duì)電化學(xué)技術(shù)在電鍍重金屬污水處理中的應(yīng)用展開深入研究，有助于解決電鍍行業(yè)造成的水污染問題。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)用水

本次實(shí)驗(yàn)水主要為人工模擬的電鍍重金屬污水，具體來(lái)說是在生活廢水中加入一些具有代表性的電鍍重金屬離子[1]。首先，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)收集日常清洗產(chǎn)生的污水，如洗手、清洗容器等的廢水，然后向污水中添加重金屬污染物離子。本文綜合考慮電鍍行業(yè)排放污水的實(shí)際情況與標(biāo)準(zhǔn)，選取鎳（Ni）、鉻（Cr）、鋅（Zn）、鉛（Pb）、錫（Sn）作為電鍍重金屬污水的特征污染物，且每一種特征重金屬離子的濃度均為2 mg/L。將上述重金屬離子加入原始廢水中，攪拌均勻即可完成本次實(shí)驗(yàn)采用的模擬電鍍重金屬污水的制備。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

本次實(shí)驗(yàn)主要采用電化學(xué)技術(shù)，進(jìn)行電鍍重金屬污水處理，實(shí)驗(yàn)過程中使用的主要試劑和材料如表1所示，本次實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器設(shè)備如表2所示。

表1 主要實(shí)驗(yàn)試劑和材料

1.3 實(shí)驗(yàn)方法與過程

相對(duì)于物理與生物法的局限性，電化學(xué)技術(shù)在電鍍重金屬污水處理方面具有極大潛能，所以本次實(shí)驗(yàn)主要采用電化學(xué)技術(shù)中的電催化氧化方法，進(jìn)行電鍍重金屬污水處理。電催化氧化方法是以電為催化劑、H2O2為氧化劑，對(duì)電鍍污水中的重金屬離子污染物進(jìn)行降解，將其轉(zhuǎn)化為低毒、易分解的小分子有機(jī)物。根據(jù)電鍍重金屬離子反應(yīng)機(jī)理可知，在進(jìn)行電化學(xué)催化時(shí)會(huì)發(fā)生直接與間接兩種氧化反應(yīng)，其中直接氧化就是利用電極陽(yáng)極具有高電位的特性，促使電鍍重金屬離子和電極之間進(jìn)行直接的電磁傳遞，此時(shí)陽(yáng)極表面吸附的氧化劑就會(huì)將電鍍重金屬離子氧化降解。間接氧化，簡(jiǎn)單來(lái)說就是在電化學(xué)催化過程中會(huì)生成中間產(chǎn)物，這類中間產(chǎn)物具有較強(qiáng)的氧化性，可以作為催化劑繼續(xù)參與電鍍重金屬離子的氧化降解。在對(duì)電鍍重金屬污水進(jìn)行電催化氧化時(shí)，不僅產(chǎn)生的降解物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠避免二次污染，而且操作方便，有利于電鍍污水的大規(guī)模自動(dòng)化處理[2]。本文基于電化學(xué)技術(shù)進(jìn)行電鍍重金屬污水處理的具體流程如下：首先，采用不銹鋼板、BDD電極、電源等設(shè)備搭建如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

圖1 電鍍重金屬污水處理實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，在搭建電鍍重金屬污水電化學(xué)催化氧化實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，選擇一種性能穩(wěn)定、反應(yīng)活性較高的電極材料是確保實(shí)驗(yàn)順利展開的關(guān)鍵，所以本文將BDD電極板當(dāng)作陽(yáng)極材料，并將不銹鋼板當(dāng)作陰極材料，使這兩個(gè)電極板呈平行狀態(tài)，間距約2 cm，置于磁力攪拌器上，并通過一個(gè)直流穩(wěn)壓穩(wěn)流的電源為其供電。當(dāng)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置完畢后，將制備的模擬電鍍重金屬污水與氧化劑放入反應(yīng)容器中，在室溫下打開電源進(jìn)行電化學(xué)催化氧化反應(yīng)，反應(yīng)過程中及時(shí)記錄下電流與電壓等參數(shù)的變化，并在反應(yīng)一段時(shí)間后定時(shí)取樣，用于測(cè)定污水中電鍍重金屬離子濃度的變化，從而掌握電鍍重金屬離子的降解效果。關(guān)于電鍍污水中重金屬離子濃度的測(cè)定，本次實(shí)驗(yàn)主要采用高效液相色譜儀進(jìn)行測(cè)定。將污水樣品振蕩離心后，取上清液，進(jìn)行消解操作，并在消解后的溶液冷卻時(shí)，滴定硫酸亞鐵銨溶液，從而得到污水樣品中的電鍍重金屬離子濃度。在電鍍重金屬污水處理完成后，為判斷電催化氧化方法的實(shí)際應(yīng)用效果，本文以重金屬離子去除率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)[3]，計(jì)算公式如式（1）：

式中，η表示電鍍污水中重金屬離子的去除率；Qi、Q′i分別表示電鍍污水中重金屬離子的初始與反應(yīng)后的濃度。本次實(shí)驗(yàn)采用電催化氧化技術(shù)來(lái)處理電鍍重金屬污水，并通過式（1）所求的重金屬離子去除率來(lái)反映重金屬離子的降解效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 電流密度對(duì)重金屬去除效果的影響

首先，在其他實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下，實(shí)驗(yàn)通過改變電流密度的大小，對(duì)不同電流密度下電鍍重金屬離子的去除效果進(jìn)行探究。電流密度是單位時(shí)間內(nèi)通過電極單位面積的電量，本次實(shí)驗(yàn)將電流密度分別設(shè)置為10 A/cm2、20 A/cm2、30 A/cm2、50 A/cm2、80 A/cm2、100 A/cm2，在電催化氧化反應(yīng)結(jié)束后，分別測(cè)定不同電流密度下的電鍍重金屬離子濃度，計(jì)算出離子去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同電流密度下電鍍重金屬污水處理結(jié)果

從表3可以看出，在電鍍重金屬污水的電催化氧化反應(yīng)中，不同電流密度下的重金屬離子去除效果不同，其去除率均隨著電流密度的增加而增大。當(dāng)電流密度在50 A/cm2時(shí)，各電鍍重金屬離子的去除率存在顯著變化，而當(dāng)電流密度超過50 A/cm2時(shí)，其去除率變化較小，其中電流密度為50 A/cm2時(shí)，其離子平均去除率為96.9%；電流密度為為100 A/cm2時(shí)，平均去除率為97.4%，二者之間僅有0.5%的差距。所以，綜合考慮電催化氧化技術(shù)的能耗與電鍍重金屬污水處理的經(jīng)濟(jì)效益，50 A/cm2的電流密度被確定為電鍍重金屬污水電催化氧化反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

2.2 氧化劑濃度對(duì)重金屬去除效果的影響

電鍍重金屬污水在電催化氧化反應(yīng)中，氧化劑過氧化氫產(chǎn)生的中間產(chǎn)物·OH是重金屬離子的主要氧化物質(zhì)，與電鍍污水中重金屬離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，達(dá)到降解重金屬離子的目的。本文主要探究氧化劑過氧化氫濃度對(duì)電鍍污水中重金屬離子去除效果的影響[4]。在其他實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下，將過氧化氫的濃度分別調(diào)整為1.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 g/L，此時(shí)獲得不同氧化劑濃度下電鍍污水中重金屬離子的去除率，結(jié)果見表4。

表4 不同氧化劑濃度下電鍍重金屬污水處理結(jié)果

從表4可以看出，不同氧化劑濃度下的重金屬離子去除率各不相同。隨著氧化劑濃度的不斷增加，電鍍污水溶液的氧化電位呈上升狀態(tài)，帶動(dòng)溶液電導(dǎo)率不斷升高，污水中各重金屬離子的去除率明顯增大，且當(dāng)氧化劑濃度較大時(shí)，污水溶液中自由移動(dòng)的離子變多，移動(dòng)速度加快，促進(jìn)了電催化氧化反應(yīng)速度加快，使重金屬離子去除率顯著提高。當(dāng)氧化劑濃度超過6 g/L時(shí)，由于電鍍污水溶液的氧化性趨于飽和狀態(tài)，雖然不斷添加氧化劑，但重金屬離子去除率的變化并不明顯。所以在電鍍重金屬污水電催化氧化過程中，可以通過適當(dāng)增加氧化劑濃度來(lái)提高處理效果，但添加過多只會(huì)造成浪費(fèi)，不利于重金屬離子的氧化還原反應(yīng)，所以選擇6.0 g/L的氧化劑濃度作為最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)，此時(shí)各金屬離子的平均去除率高達(dá)96.6%。

2.3 初始pH值對(duì)重金屬去除效果的影響

不同電鍍重金屬污水的酸堿性強(qiáng)弱不同，所以本文主要探究電鍍重金屬污水初始pH值對(duì)重金屬離子去除效果的影響。在保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)，將電鍍污水的初始pH值從1逐漸增大至14，并記錄不同pH值下重金屬離子的去除率，結(jié)果見圖2。

圖2 不同初始pH值下電鍍重金屬污水處理結(jié)果

從圖2可以看出，在電鍍重金屬污水的電催化氧化反應(yīng)中，電鍍污水初始pH值不同時(shí)，各重金屬離子的去除率均不一致。當(dāng)電鍍污水溶液的初始pH值在1～7范圍內(nèi)，電鍍污水中各重金屬離子的去除率隨pH值的增大而增大，且當(dāng)電鍍污水初始pH值為7時(shí)，各重金屬離子的平均去除率為96.8%。當(dāng)電鍍污水溶液的初始pH值在7～14范圍內(nèi)，電鍍污水中各重金屬離子的去除率隨pH值的增大而減小。由此可以說明，如果電鍍污水為酸性或堿性，重金屬離子的氧化還原活性較差，所以其降解效果較差；如果電鍍污水為中性，重金屬離子降解效果較好，所以污水初始pH值為7，是電鍍重金屬污水電催化氧化反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

3 結(jié)論

綜上，本文基于電化學(xué)技術(shù)展開電鍍重金屬污水處理實(shí)驗(yàn)，并以電為催化劑、H2O2為氧化劑，利用電催化氧化反應(yīng)處理電鍍重金屬污水，達(dá)到降解重金屬離子的目的，并得到以下結(jié)論：當(dāng)電流密度從10 A/cm2增加至50 A/cm2時(shí)，電鍍污水中各重金屬離子去除率明顯升高，當(dāng)電流密度從50 A/cm2增加至100 A/cm2時(shí)，各重金屬離子去除率上升不明顯，所以將50 A/cm2作為最佳電流密度；當(dāng)氧化劑濃度不斷增加時(shí)，電鍍污水中重金屬離子去除率逐漸增大，但過量的氧化劑使污水呈強(qiáng)氧化性，不利于重金屬離子降解，所以6.0 g/L為電鍍重金屬污水電催化氧化反應(yīng)的最佳氧化劑濃度；如果初始電鍍污水溶液呈酸性或堿性，重金屬離子的氧化還原活性較弱，不利于降解反應(yīng)，只有初始電鍍污水酸堿度適中，重金屬離子的去除率才能達(dá)到最大值，所以7為電鍍重金屬污水電催化氧化反應(yīng)的最佳pH值。