三维电极电解处理含镍废水的研究

2019-11-26 11:54陈琳
绿色科技 2019年20期

陈琳

摘要:采用单极性三维电极电解法处理低浓度含镍废水及回收金属镍,对比研究了三维电极与二维电极的去除镍离子效果,同时探究了电流强度、填充材料、填充比、pH值及极板间距对镍离子的去除规律,并建立了反应动力学模型。结果表明:三维电极的镍离子去除率远高于二维电极;在阳极为网状Ti/IrRu、阴极为不锈钢,第三极为空心钢球,电流为0.8 A,极板间距为10 cm、电解时间为2 h、填充比为2.8、废水pH值为5的条件下处理镍离子质量浓度为124.5 mg/L的废水,镍离子去除率可达93.3%、电流效率为56.8%,镍去除反应符合一级反应动力学模型。

关键词:含镍废水;填充材料;三维电极法;反应动力学

中图分类号:X781 文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)20-0060-04

1引言

镍作为一种必要的微量元素,对人体健康起着重要作用。人体内镍含量降低,会使人患有各种贫血及肝硬化,但体内过量的镍也会引起各种危害如炎症、癌症、神经衰弱症、系统紊乱等。因此,含镍废水若不经处理而随意排放,会造成环境破坏,最终危害人类健康。目前,含鎳废水的处理方法主要有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、电解法和电絮凝技术。化学沉淀法去除效果不是很好且也不太环保;离子交换法处理镍废水时,去除效果会受到废液中其他离子的影响,同时设备昂贵,管理操作繁琐,占用空间大,且产物对环境有污染;膜分离法处理过程易产生污染,膜易被堵塞,且处理成本较高;电解法对低浓度镍离子废水去除率较低且耗能大;电絮凝技术对高浓度的含镍废水去除效果较好,本实验主要针对低浓度含镍废水,故不合适。而三维电极法因其面体比大、传质速率快、电解效率高等诸多优点,且对低浓度的金属废水处理效果较好,被广泛应用到了废水处理行业。

本实验采用单极性三维电极电解法处理含镍废水并回收金属镍,探讨了废水pH值、填充比、电流强度、填充材料和极板间距对Niz+去除效果的影响,并且建立了去除镍离子反应的动力学模型。

2实验部分

2.1实验材料和仪器

网状Ti/IrRu:东莞市铂信电极材料有限公司;活性炭:4~10目,溧阳市南山活性炭有限公司;石英砂:10~20目,巩义市美源净水材料有限公司;空心钢球:ψ12 mm,闫集钢球有限公司。废水排放量约为200 m3/d,镍离子的浓度为120~160 mg/L,pH值约为3~5。废水成分见表1。

NHWY15-3型可调直流稳压稳流电源:能华电源一济南能华机电设备有限公司。AA-7000型原子吸收分光光度计:日本岛津公司。

2.2实验装置

三维电极反应器由槽体、电极板、粒子电极组成。电解槽由石英有机玻璃制成且带有夹层,几何尺寸为220 mmX 150 mm×120 mm;阳极选用网状Ti/IrRu,阴极选用不锈钢板并作为主电极,采用并联单极性形式;粒子电极为空心钢球、活性炭或活性炭+石英砂,作为第三极;采用塑料隔膜网分开粒子电极与磁力搅拌器,可调直流稳压电源提供直流电。实验装置示意图如图1所示。

2.3实验原理

电解处理含镍废水的基本原理:在电场力作用下,电解液中镍离子向阴极迁移,在阴极被还原生成镍单质(Ni2++2e-=Ni↓Eo=-0.246 V);阳极发生水分解电化学反应(2H2O=4H++4e-+O2↓,Eo=1.299V)。

2.4实验方法

将水样注入三维电极反应器,通过蠕动计量泵循环运行,调节废水pH用盐酸或氢氧化钠溶液,电解槽置有磁力搅拌器,搅拌混合电解液;通过循环水浴控温,直流电源供电进行实验;定时取样测试,电解结束后,回收阴极板上的金属镍。

采用原子吸收分光光度法测定废水中镍离子浓度,计算去除率。实验前后称量阴极板质量,由阴极生成镍的实际质量与理论质量之比计算电流效率。

3结果与讨论

3.1二维电极与三维电极的镍离子去除率比较

三维电极在填充材料为活性炭、电流为0.8 A、调节废水pH=5的条件下,二维电极(无填充材料)与三维电极的镍离子去除效果见图2。

由图2可知:两种方法对镍离子去除率均随电解时间而增大;对镍离子的去除率二维电极远不如三维电极;电解时间100 min后,三维电极和二维电极对镍离子的去除率分别为85.4%、71.3%。电解时间2h后,经过具体的数据计算三维电极比二维电极的电流效率提高了许多。这是因为三维电极中的第三极与阴极相接触,使活性炭带负电,相当于扩展阴极表面积;由于第三电极间的液相传质距离缩短,使得镍离子的传质速率加快,从而浓差极化作用也减弱了。由此可看出三维电极对镍离子的去除效果更好。

3.2影响三维电极镍离子去除效果的因素

3.2.1填充材料

在电流为0.6 A、填充材料高度为100 mm、电解时间为2 h、调节pH=4.5的条件下,研究不同填充材料(空心钢球、活性炭或活性炭+石英砂)对镍离子去除效果的影响规律,结果见图3。

由图3可见,三种填充材料的镍离子去除率均随电解时间延长呈上升的趋势。空心钢球的镍离子.去除率均高于其他两种材料,最高达92.1%,相对于活性炭和活性炭+石英砂来说,它的去除率分别提高了8.4%、16.9%。这是由于空心钢球电阻低,电导性良好,扩展阴极后的负极化作用明显且电流均匀分布于钢球表面,有益于与重金属离子接触,镍离子的电还原沉积反应容易发生。活性炭+石英砂作为填充材料时,比另外两种填充材料对镍离子的去除率都低,主要是石英砂微粒的太小,阻抗高,使第三电极的导电性能变差,最终导致镍离子去除率降低。

3.2.2电流强度

电流强度直接影响电解过程,决定第三极发生负极化的程度以及电极反应速率,是关键影响因素之一。在废水pH值为5,填充材料为空心钢球,填充比为2.8,电解时间为2h的条件下,研究电流强度对镍离子去除效果的影响规律,结果见图4。

由图4可见,电流较低时,因电解液中的离子电迁移速度缓慢从而导致镍离子去除率较低。镍离子去除率随着电流增加而逐渐提高,这是因为第三极(空心钢球)微粒极化程度显著,极大地增加粒子电极的有效接触表面积,其表面电位与液相电位相差很大;同时根据法拉第电解定律可知,电流与电化学反应生成物质的量成正比,即电流越大,镍电沉积反应速度越快,镍生产量越多,去除率就高。但是,随着电解时间延长,废水中的镍离子浓度不断降低,导致浓差极化现象严重,析镍反应效率降低,过多电量用于水电解反应,副反应析氢效应明显,从而造成去除镍离子的电流效率随着电流增加逐渐地下降;此外,电流过大时,物质传递过快,不利于镍离子与空心钢球充分接触,停留时间不足,还会导致電解液温度升高,用于无用过程做功,能耗增加,因此镍去除率上升缓慢。鉴于能耗及成本问题,电流强度选择0.8A比较合适。钴离子去除率可达93.3%,电流效率为56.8%。

3.2.3废水pH值

pH值是重要影响因素之一,在于它会改变重金属镍离子的存在形态,以及影响阴极电流效率和电解过程的液相传质速度。在电流为0.8 A、填充材料为活性炭、电极间距为10 cm、电解时间为2 h的条件下,研究pH值对镍离子去除效果的影响,实验结果见图5。

由图5可知,电解液pH值较低时,氢离子浓度较高,从而降低H+/H2过电位,导致副反应析氢反应发生剧烈,主反应效率低下,大量氢气泡产生严重影响镍离子传质过程,尤其是镍电结晶沉积,所以镍离子去除率和电流效率较低。随着pH值增大,电解液中镍离子去除率渐渐上升。pH值大于5时,镍离子去除率有所下降,可能的原因是:①在电解过程中,电解液出现浑浊状况,经分析后絮凝体为氢氧化镍沉淀,影响破络效果;②氢离子数量急剧减少,导致有效离子(Ni2+)传质效率降低,传质速率减慢,同时阳极产生的·OH较少,不利于镍离子呈现游离态。因此,选择pH值为5较为合适。

3.2.4填充比

选用空心钢球作为填充粒子,充当第三极。通过改变空心钢球填充比是实现阴极表面积扩展的重要手段。在电流强度为0.8A、pH值为5、电极间距为10 cm、电解时间为2 h的条件下,研究填充比对镍离子去除效果的影响,实验结果见图6。

由图6可知,随着填充比增加,镍离子去除率逐渐提高。其原因是在处理水量一定时,增加空心钢球粒子相当于提高阴极有效表面积,使镍离子与空心钢球接触面积增加,非常有利于镍离子电沉积(电还原)反应。当填充比大于2.8时,镍离子去除率趋于平缓,增加量不明显;说明通过提高填充材料数量来实现粒子电极表面积扩展达不到预期处理效果。若空心钢球过多,极有可能造成粒子电极与阴/阳极发生短路,对镍离子去除率造成不利影响。故而填充比为2.8较合适。

3.2.5极板间距对镍离子去除效果的影响

电解槽间的电压直接受极板间距的影响,同时槽间电流也受到其影响。在废液中镍离子的起始浓度为124.5 mg/L、pH值为5、填充比为2.8、电流强度为0.8A的条件下,而极板间距分别控制在8 cm、9 cm、10cm、11cm、12 cm的条件下进行实验。图7为极板间距对镍离子去除率的影响。

由图7可以看出:随着极板间距的增大镍离子的去除率呈现下降趋势。出现这种现象的主要原因是极板距影响了电解溶液的电压压降,进而影响电解槽的电压强度,同时也影响电解槽的电流强度。在电流强度不变的情况下,随着极板间距的增大,电解槽系统的电阻增大,进而电压强度升高,功率增大。而极板间距缩短可以使电解液的电压降低,可以提高电解液的稳定性,也可以加快镍离子的反应速率。但极板间距的过度减小反而会使电解槽的有效利用率降低以及工难度提升,所以要根据废液的情况,选取合适的极板间距。

3.3去除镍离子电化学反应的动力学模型

在镍离子的去除过程中,由阴极上发生的还原方程式应理论可知符合反应动力学,但这是个较为复杂的过程。假定去除镍离子的过程遵循一级反应动力学方程式,其表达式见式(1),将式(1)积分后可得式(2)。

4结论

(1)用三维电极电解法处理低浓度的含镍废水,使废水中的镍离子得到大量去除及回收;就镍离子去除率和电流效率而言,二维电极法远不及单极性三维电极法。

(2)影响电解效果的因素有:填充材料、废水pH值、填充比、电流强度和极板间距,因此,根据实际的废液水质状况,适宜参数组合的选择极其重要。

(3)镍离子在阴极板上的还原反应遵循一级反应动力学模型。

(4)在主电极阴极为不锈钢板、阳极为网状Ti/Ir-Ru、第三极是填充材料(空心钢球),调节废水pH=5、电流强度0.8 A、极板间距10 cm、电解时间2 h、填充比是2.8的条件下,对镍离子质量浓度为124.5 mg/L的废水进行处理,电流效率为56.8%、镍离子去除率可达93.3%。