吕 芳
(河北工业职业技术学院,河北石家庄 050051)
印染废水成分复杂、色度高、排量大,严重破坏生态环境,已经成为最难治理的有害废水之一。近年来,为了提高印染质量,在印染过程中加入多种难生物降解的新型助剂,进一步增加了印染废水的处理难度[1]。印染废水的传统处理方式有生物降解法、物理吸附法、氧化法等,这些方法各有优势,也存在一定的局限性,例如工艺复杂、能耗高、易造成二次污染等[2-4]。电凝聚技术由于设备简单、操作简便、成本低廉、适用面广、处理效果好,受到了广泛关注[5-6]。电凝聚法处理印染废水的效果受多种因素影响,合适的参数不仅可以达到良好的处理效果,也能有效地减少能源浪费[7]。
本文以自制电凝聚系统处理活性黑5 模拟印染废水,研究了电解时间、电流密度、印染废水初始质量浓度、废水初始pH 和电解质种类对印染废水色度、CODCr去除率的影响。
材料:活性黑5 染料,硫酸,氢氧化钠,氯化钠,硫酸钠,硝酸钠,碳酸钠,重铬酸钾。
仪器:UV-755B 紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司),320-S 精密pH 计[梅特勒-托利多国际贸易(上海)有限公司],MPS-3003S 恒流电源(深圳麦创电子科技有限公司)。
电凝聚反应系统如图1 所示,主要包括直流可调电源、电凝聚反应器、电流表、电压表、磁力搅拌器、pH 计、电极。用铝板作为电凝聚系统的电极,铝板间距可调,单个铝板尺寸为5 cm×17 cm×0.2 mm,每个电极浸入模拟印染废水中的面积为50 cm2。
图1 电凝聚装置示意图
1.3.1 色度及色度去除率
利用紫外可见分光光度计测定活性黑5 染料主吸收峰处的吸光度值,并根据以下公式计算去除率:
其中,A0为初始吸光度,At为在t时刻吸光度。
1.3.2 CODCr和CODCr去除率
CODCr的测定参考GB/T 11914—1989,并根据以下公式计算CODCr去除率:
其中,CODCr0为初始条件下的化学需氧量,CODCrt为t时刻的化学需氧量。
通电时间对电凝聚法降解印染废水有明显的影响,通电时间太短,无法完全降解有机物,通电时间过长则会造成能源浪费。对于电凝聚系统来说,电能是最主要的成本,因此,选择合适的通电时间至关重要。如图2 所示,通电初期,活性黑5 的色度和CODCr去除率快速增大;随着通电时间的延长,色度和CODCr去除率均趋于平缓。这是因为随着通电时间的延长,溶液内絮状物增多,分子间碰撞概率降低,反应速率减小;另外,随着反应的持续进行,氧化反应所需要的活化能增大,导致降解速率降低。色度去除率在40 min 时就达96%,此时CODCr去除率达53%,继续延长通电时间,CODCr去除率增加缓慢。综合考虑色度、CODCr去除率,将通电时间设置为60 min。
图2 色度、CODCr去除率与通电时间的关系
由图3 可知,随着电流密度的增大,色度去除率迅速增大,当电流密度超过6 mA/cm2时,溶液几乎完全脱色;CODCr去除率持续增大,当电流密度超过12 mA/cm2时变化趋于平缓。这是因为电流密度较小时,阳极铝的溶出速率随电流密度的增大而增大,溶液中的Al3+浓度不断增加,此时反应速率主要受电化学反应影响,活性黑5 的去除率增加;当溶液中的Al3+达到一定浓度时,反应速率主要受凝聚反应影响,电流密度的增大对活性黑5 的去除率几乎没有影响[8]。考虑到能耗,将电流密度设置为12 mA/cm2。
图3 色度、CODCr去除率与电流密度的关系
由图4 可知,在不同电极间距下,色度去除率均在93%以上,电极间距对色度去除率的影响较小;但CODCr去除率受电极间距影响明显,在电极间距为20mm 时,CODCr去除率最大,增大或减小电极间距,都会导致CODCr去除率下降。这可能是由于在电极间距过大时,两极之间的对流效应减小,物质传递变慢;在电极间距过小时,阳极会出现钝化现象,影响去除效果[9]。综合考虑,最佳电极间距为20 mm。
图4 色度、CODCr去除率与电极间距的关系
由图5 可知,随着活性黑5 初始质量浓度的增加,色度、CODCr去除率不断降低,当活性黑5 质量浓度增加到250 mg/L 时,色度、CODCr去除率分别只有57%和38%。这是由于在相同的电流密度下,电解产生的金属离子不足以去除更高质量浓度的活性黑5[10]。
图5 色度、CODCr去除率与活性黑5 初始质量浓度的关系
色度、CODCr去除率与活性黑5 溶液初始pH 的关系见图6。
图6 色度、CODCr去除率与活性黑5 溶液初始pH 的关系
由图6 可看出,活性黑5 溶液的初始pH 对色度、CODCr去除率影响较大,在pH=6 时处理效果较好,pH过高或过低,色度、CODCr去除率都明显降低。这主要是因为pH 过高时,OH-浓度较高,在阳极被氧化,影响Al3+的形成,导致去除率降低;而在阴极还原H+生成H2,OH-生成量减少,从而使Al(OH)3的生成量减少,去除率降低[11]。
如图7 所示,当电解质为NaCl 时,活性黑5 的色度、CODCr去除率都明显高于其他电解质。这是因为加入NaCl 作为电解质时,生成的氧化基团为·Cl,容易与染料发生反应,最终生成CO2和H2O;而其他电解质电解时会产生·O,其氧化性低于·Cl,对活性黑5的去除率更低[12]。
图7 色度、CODCr去除率与电解质种类的关系
采用电凝聚法可以有效地降低活性黑5 染料废水的色度和CODCr。延长通电时间、增大电流密度,有利于提高色度、CODCr去除率,但是会增加能耗;染料溶液初始质量浓度越小,色度、CODCr去除率越高。以氯化钠为电解质,在溶液初始质量浓度50 mg/L,通电时间60 min,电流密度12 mA/cm2,pH=6,电极间距20 mm 时,活性黑5 染料的色度、CODCr去除率分别为99%和65%。