絮凝法在重金属废水处理中的应用
周继如1朱世安2
1广东新大禹环境科技股份有限公司510663;2广东豪美新材股份有限公司511800
摘要：文章主要从絮凝法去除重金属机理出发，分别简述了电絮凝在重金属废水处理中的应用，以及研究展望，旨在与广大同行共同学习。
关键词：絮凝法;重金属废水处理中;应用
引言：重金属是工业废水中最常见的污染物，主要来自矿山、电镀、冶炼、染料、制革等行业的生产过程，常见的重金属包括铜、铅、锌、铬、镉、镍、锰和砷等。绝大部分重金属水溶性强，不易被微生物降解，可通过食物链在生物体内积累和富集，若在排放前不经严格处理，将对生态环境和人类健康造成严重危害。
电絮凝法(electrocoagulation，EC)是一种新型高效废水处理技术，相比传统化学处理法，电絮凝过程无需投加化学药剂，且具有污泥产生量少，操作管理方便，成本和运行费用低等优点。然而，电极钝化问题已成为限制电絮凝法在工业废水中应用的因素。钝化膜的形成会导致阳极溶解速度降低、絮凝剂产量减少、电流效率和污染物的去除率受抑制，同时也会额外增加反应器所需电势而增加运行能耗。近些年，大量研究者对电絮凝过程中钝化膜的形成、溶解及相关影响因素进行了研究并取得了一定进展。因此本文中从电絮凝钝化机理和影响因素等方面对电絮凝处理重金属废水进行介绍和讨论。
一、絮凝法去除重金属机理
电镀、冶金等大多数行业排放的废水中不仅存在大量的重金属离子，还包含重金属与其他污染物(如NH4Cl、EDTA等)形成的配位化合物，此类配位物又可细分为溶解性络合物、氢氧化物沉淀以及螯沉淀。
溶解性络合物多附着于悬浮物或胶体颗粒表面，絮凝法是向废液中投加絮凝剂，利用絮凝剂提供的大量配位离子强烈吸附悬浮物或胶体颗粒。在配位离子群的解离作用下，反应体系中稳定的胶体颗粒将分散存在于溶液中，此时易与溶液中的悬浮物结合形成小分子不溶物，同时非平衡状态的电中和作用促使溶液中的脱稳颗粒相互结合。絮凝作用下，溶液中小分子通过吸附形成大分子，小颗粒通过架桥结合形成大颗粒，最后通过絮凝剂本身网捕卷扫作用加速沉降，达到去除非溶解态重金属的效果。絮凝剂针对重金属离子的去除主要表现在吸附与螯合作用，其中螯合沉降是絮凝法去除重金属的重要途径，其机理示意如图1所示。选用具有重金属螯合捕集功能的絮凝剂尤为关键，携带有-CSS-、COO等负电荷基团的絮凝剂可与重金属离子按照定的物质的量比形成螯合物来达到去除重金属的效果絮凝剂通过自身的吸附作用，将各螯合物“架桥”牵连聚集形成微絮体，而絮凝剂本身具有优良的网捕卷扫性能，有助于微絮体形成更大的絮体，加速沉降。同时，高分子絮凝剂具有稳定性强、适用范围广以及沉降性能好等特点，作为重金属螯合捕集絮凝剂时，其母体大分子链的稳定性在一定程度上遏制了螯合物的再离解，有效保证了重金属离子的去除效率。
图1絮凝剂螯合捕集重金属机理示意图
二、电絮凝在重金属废水处理中的应用
电絮凝技术在水处理中已早有应用，在重金属废水处理领域的实践在近几年逐渐增多，且主要集中于电镀、冶炼、金属加工及精细化工生产废水处理等领域，少部分应用于给水中重金属的去除。总体来说，目前电絮凝技术在重金属废水处理中主要用于去除铬、镉、铜、锌、铅、银、砷及镍等。
1.含镉废水的处理
镉对肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼及血液系统均可产生毒性，一直是水污染控制的重点因子。近年来，采用电絮凝处理镉的研究报道还不多，已有的文献报道主要从处理效果及运行参数等方面进行探讨：经过研究表明对于Cd浓度较高的原水，需要高的槽电压或长的反应时间，在电压40V，20min处理时间下，去除效率高于99%;经过电絮凝处理出水的pH值高于进水。并且研究了电絮凝/气浮技术对废水中的Cd的去除效果，发现处理时间由15增加至30min情况下，Cd的去除效率也由85%提升至98%，而反应装置对Cd的去除率可以达到99.96%。在一定的处理时间内，对镉的去除率随着电流密度的增加而明显升高，处理Cd的过程符合第二动力学方程(Langmuir吸附方程)，温度对处理过程的影响不大。
2.含锌废水的处理
随着人类对铅锌矿的开采、冶炼、加工等生产活动的日益增加，含锌废水产生量也日益增加，含锌废水的排放对人体健康和工农业活动均具有严重危害。目前有部分文献报道了电絮凝技术对含锌废水的处理情况。
张敬等[1]研究发现：以不锈钢作为阳极材料和铁板作为阴极板材料对含锌废水的处理效果较佳(去除率都在95%以上)。采用铝作为阳极对废水中的锌及铜离子进行了处理，结果表明当槽电压为40V的时，对模拟水样取得最大的去除效率，当电压在适当范围内增加(20～40V)，去除率也随着提高;处理过程应用到电镀废水中铜及锌的去除效果令人满意。并且研究了电絮凝/气浮技术对废水中的Zn的去除效果，发现处理时间由15增加至30min情况下，锌的去除率也由99.80%升高至99.83%。实际工程实例表明锌冶炼废水采用电絮凝法深度处理系统稳定运行一年多时间，处理后废水可全面达标排放，可回收金属锌403.2t/年、金属铅7.2t/年，该工艺具有良好的经济效益和环境效益。
三、研究展望
电絮凝技术目前的理论研究已经相对成熟，与常规化学处理法相比优势明显。但是该技术还存在一些问题阻碍了该项技术的大规模应用：(1)电流效率低，能耗高;(2)极板消耗快，定期更换较繁琐;(3)处理水需要保持电导率在一定范围内，可能需要投加大量电解质;(4)共存物质(如螯合物)对处理效果的影响大。针对目前该技术存在的问题，今后应着手从降低能耗，电解槽设计，及共存物质干扰消除等方面进行努力：
①改进电源技术，提高电流效率，减少损耗;从材料、极化方式及影响因素着手，寻找新的电极材料，深入研究其极化特征，并确定其最优化的特征值;改进反应槽结构，提高电解效率。从以上三方面进行深入研究以减少极板消耗，降低能耗，减少运行成本。②对电絮凝过程中各种物理、化学机理进行更深入的理论研究。研究氧化还原、混凝及气浮三者之间的相互作用，在电絮凝装置的设计和确定运行参数时将这三种机理进行有机的结合，甚至控制各种机理的强度，既要发挥电化学效应，又要考虑混凝剂的产生量、气泡的尺寸分布以及产生速度，以便将这三种效应的潜能充分发挥出来;同时针对工业废水的复杂性，各种重金属离子的共存现状，要进行工艺的改进，以同时高效低耗的去除各种重金属离子。③电絮凝技术与其他处理工艺结合运用：增加预处理技术消除共存物质(如螯合物)对重金属离子去除的影响，以保证电絮凝进水水质的稳定;增加后续沉淀或过滤设施，保证处理出水泥水分离的完全彻底。随着电絮凝技术的进—步完善，特别是电耗进一步降低，其在重金属废水处理领域中的产业化应用必将越来越广泛。
参考文献：
[1]张敬等.电化学方法处理电镀废液的试验研究[J].化学工业与工程，2006(1)
[2]朱其兆.电絮凝技术在微污染水源水处理中的应用[J].科技创新导报，2009(27)
[3]曹广祝等.电絮凝法在重金属废水处理中钝化机理的研究进展.[J].现代化工，2017(10)
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