二维与三维电解法处理含铜废水的试验研究

孙颖

（中国环境管理干部学院，河北秦皇岛066004）

二维与三维电解法处理含铜废水的试验研究

孙颖

（中国环境管理干部学院，河北秦皇岛066004）

以含铜废水为处理对象，考察了二维电解法的电解电压、电解时间、pH值、极间距对铜去除率的影响。在此基础上为提高处理效率，两极间填充活性炭和玻璃珠形成三维电解，确定了三维电解的最佳运行条件是极间距4cm，pH值3～4，电解电压22 V，电解135min，铜离子的去除率为80.6%。

二维电解；三维电解；含铜废水

金属加工、电镀、线路板生产和矿山开采等工业生产过程会排放大量的含铜废水。铜离子虽然本身就存在于天然水中，也是生物体内必不可缺的元素，但过量的铜，尤其是游离态铜离子，会对生物产生影响和危害。体内铜超标后易对人的脏器造成负担，特别是肝和胆，造成新陈代谢紊乱、肝硬化、肝腹水等疾病，甚至威胁生命[1]。因此在这类生产企业废水处理中如何高效去除和回收铜离子是一个关键课题。

电解法因其反应条件温和、操作简单、设备易得、可回收金属铜、无二次污染等优点，在众多处理技术中具有优势。但是对于铜浓度不是很高的废水则存在处理效率低、能耗高的弊端[2]。由Backhurst等提出的三维电极法，具有降解彻底、效率高、能耗低等优点[3]，因此有必要实际对比二维与三维电解法处理含铜废水的效果及影响因素，为生产运用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验装置与仪器

本试验装置采用PVC塑料制作（70 cm×50 cm×60 cm），处理水量140 L，阳极为两块35 cm×45 cm的涂钛极板，阴极为2块20 cm×53 cm的铜板。电解电源由HY1711-5S双路可跟踪直流稳压电源提供，721可见分光光度计测定分析铜浓度。

1.2 分析方法

铜离子检测采用2，9-二甲基-1，10-菲啰啉分光光度法，测定原理为将试样中的二价铜离子用盐酸羟铵还原为亚铜离子，在中性或微酸性介质中，亚铜离子与新亚铜灵反应，生成摩尔比为1∶2的黄色络合物，此络合物在457 nm处具有最大吸收波长，使用标准曲线法进行定量测定。试验用水采用线路板生产企业的实际含铜废水。

2 试验结果

2.1 二维电解试验

二维电解试验综合考虑了电解电压、电解时间、极间距、pH值4个影响因素，分别进行铜去除率的考察。

2.1.1 电解电压对铜去除的影响

试验废水铜浓度为376.3 mg/L，电解时间135 min，pH值3～4，极间距4 cm，结果如图1所示。试验发现电压在25 V时铜去除率最高。

图1 电压对铜去除率的影响

2.1.2 电解时间对铜去除的影响

试验废水铜浓度为390.8 mg/L，电解电压25 V，pH值3～4，极间距4 cm，结果见图2。由图可以发现电解时间越长，铜去除效果越好，电解180 min后，曲线趋于平缓。考虑处理的电费成本，此条件下最佳的电解时间为180 min。

2.1.3 pH值对铜去除的影响

试验用水中铜浓度为432.3 mg/L，电解180 min，电解电压25 V，极间距4 cm，分别通过投加硫酸和氢氧化钠溶液调节pH值，试验结果见表1。由表分析出，虽然pH值越大铜去除率越高，但试验发现此时废水中产生大量絮体，此种条件下铜的去除主要是由于化学沉淀，而不是电解，因此铜去除率虽然显著提高，但不利于铜的回收。实际含铜废水若考虑回收而采用电解法时，一般无需调节pH值。

图2 电解时间对铜去除率的影响

表1 pH值对铜去除的影响

2.1.4 极间距对铜去除的影响

试验废水铜浓度为390.8 mg/L，电解时间180 min，电解电压25 V，原水pH值3～4，考察极间距分别为4 cm和6 cm时铜的去除效果，结果见表2。由试验结果可知极间距越小，所需的电解电压越小，铜去除效果越高。

表2 极间距对铜去除的影响

2.2 三维电解试验

通过试验可以发现中、低浓度含铜废水若采用二维电解法处理，铜去除率极低，当最佳条件pH值3～4，电压25 V，极间距4 cm，电解180 min时，铜去除率仅为25%左右。为提高处理效率和回收铜量，试验决定采用三维电极法。即在阴极装填绝缘性粒子与导电粒子组成的粒状电极材料。通电后当主电极与导电颗粒相接触时，粒状电极材料表面带电，形成无数个微小的粒子电极，在工作电极表面一端可以发生阴极反应，另一端发生阳极反应，如此大大提高了阴极还原吸附铜的表面积，提高了电解效率[4]。

试验中以2∶1比例将活性炭（直径3 mm，高5～10 mm）和直径2～3 mm的玻璃珠堆积在两极间，填充高度40 cm，填充体积32320 cm3。为消除活性炭吸附对三维电极电解铜离子去除率的影响，只考察电解去除铜的效果和最佳运行参数，试验前先用原水对活性炭反复浸泡，并多次换水，测定浸泡前、后水中的铜离子浓度，直至两者相同。

本试验原水铜浓度165.4 mg/L，考虑实际处理的经济因素，未调节pH值，仍为3～4，为降低槽电压采用尽可能小的极间距4 cm，试验结果如图3所示。

图3 不同时间、不同电解电压对铜去除的影响

曲线显示三维电解电压越高，处理效果越好，但耗电量越大，并且在电压22 V后，增加电压并未对铜去除效率有显著提升。分析认为，此时副反应加剧，H+在阴极得电子而产生气体，消耗了电子和能量。电解效果和耗电量也同电解时间有很大关系。随着电解时间的延长，电解对铜离子的去除率逐渐增大。但经过135 min后变化增速逐渐趋缓平稳，此时铜离子去除率为80.6%。试验还发现同二维电解相比，三维电解可以同时降低电解电压、电解时间，并提高铜离子去除效率。

3 结论

二维、三维电解对比试验结果表明，三维电极法处理含铜废水效果明显优于二维电极法，添加活性炭和玻璃珠后，电解效率显著提升。考虑实际废水处理的工艺和条件，不调节pH值使其为3～4，极间距4 cm，电解电压22 V，电解135 min，此时铜离子去除率为80.6%。若想进一步回收铜，可采用压滤-焚烧-酸化工艺，对三维电解饱和后废炭进行压滤，将滤液采用氢氧化物和硫化物共沉处理或与其它污水混合后进入生化处理工艺。滤渣进行焚烧、提纯、酸化后得到CuCl2成品。

[1]胡钰倩，胡立嵩，余训民.物理化学法处理含铜废水及铜二次资源化研究进展[J].广西科学院学报，2006，22（3）：223-227.

[2]庞娟娟.电解法处理采油废水的研究[J].电力环境保护，2008，24（1）：57-60.

[3]李福勤，赵美英，陈波，等.三维电极去除污水厂二级出水中CODMn的研究[J].中国给水排水，2009，25（9）：85-89.

[4]薛松宇.三维电极反应器处理染料废水的研究[D].天津：天津大学，2005.

Experimental Study on Cu Wastewater Treatment by Two-Dimensional and Three Dimensional Electrode Process

Sun Ying
（Environmental Management College of China，Qinhuangdao Hebei 066004，China）

Taking Cu wastewater as the object of study,two-dimensional electrode was used to inspect the correlations with removal efficiency and electrolytic voltage,electrolytic time,pH value and plate distance.In order to improve the removal efficiency,activated carbon and glass beads were filled between counter electrodes.The experimental result showed that the optimal conditions were 4.0 cm plate distance,pH value 3～4,22 V electrolytic voltage and 135 min electrolytic time,the removal rate of Cu wastewater reached 80.6%.

two-dimensional electrode；three-dimensional electrode；Cu wastewater

X703.1

A

1008-813X（2011）05-0063-03

10.3969/j.issn.1008-813X.2011.05.019

2011-08-27

孙颖（1973-），女，辽宁昌图县人，毕业于天津大学环境工程专业，硕士，副教授，主要研究废水处理及资源化。