基于三維電極法的桉木cmp制漿廢水的處理

基于三維電極法的桉木cmp制漿廢水的處理

除了殘余的堿性化學(xué)品外，還有特效化合物、糖分解產(chǎn)物和低分子質(zhì)量酸反應(yīng)產(chǎn)物。濃度高，顏色深，處理困難。目前普遍采用的生化法處理效果并不理想,動力消耗大,污泥產(chǎn)量高,出水有機污染物濃度偏高。另一方面,CTMP廢液顏色極深,若不經(jīng)有效脫色就排放,會使受納水體色深渾濁,破壞水體生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的二維平板電極法可用于去除多種污染物,但電耗和陽極材料消耗大,副反應(yīng)多,限制了該技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。三維電極法比普通的二維平板電極法比表面積大,傳質(zhì)速率和電流效率高,能耗低,已有應(yīng)用于處理染料廢水、含酚廢水以及含油廢水的研究報道。本課題應(yīng)用三維電極法處理桉木CTMP制漿廢水,研究了該方法在降解和去除有機污染物、廢水脫色方面的效果,以期為CTMP制漿廢水的治理探索一條新途徑。1實驗1.1直流電源及充填三維電極法處理廢水在自制的電解槽中進行(如圖1)。電解槽為有機玻璃制成,陰極為平板石墨電極,陽極是同形狀的不銹鋼板,電極間距為5cm。直流電源為TPR6005-3型穩(wěn)壓穩(wěn)流電源,其整流范圍為0~60V、0~5A直流電。填充粒子為1種過渡金屬粒子和1種高阻抗粒子(粒度均為2.5~4mm),填充體積比為1∶1,粒子總填充量為150g。曝氣管向反應(yīng)體系提供空氣。本實驗為間歇實驗,一定pH值的廢水在電解槽中處理一段時間后,將反應(yīng)液倒出,在5000r/min下離心8min,取水樣分析測定CODCr和色度。1.2電催化氧化還原三維電極法處理廢水的基本原理是通過電催化氧化還原反應(yīng)降解和去除污染物。電極上加一定的電壓時,陰陽極之間的電場使電解槽中的粒子靜電感應(yīng)帶電,每個粒子成為一個獨立的電極(第三極),電解槽中產(chǎn)生了無數(shù)個微型電解槽,電化學(xué)氧化還原反應(yīng)在每個粒子表面同時進行。污染物在陽極表面被氧化,在陰極被還原,降解為小分子或無害物質(zhì)。在電催化氧化還原反應(yīng)過程中,電極表面生成了強氧化性的活性物質(zhì)。在酸性條件下,曝氣向反應(yīng)體系提供的O2在陰極還原生成H2O2,同時鐵陽極具有較高的活性,被氧化腐蝕產(chǎn)生Fe2+,Fe2+和H2O2反應(yīng)生成了強氧化能力的自由基HO·。H2O2和HO·具有很高的還原電勢,是強氧化劑,能氧化大多數(shù)有機污染物。反應(yīng)過程如下:O2+2H++4e→H2O2Ο2+2Η++4e→Η2Ο2Fe2++H2O2→Fe3++OHFe2++Η2Ο2→Fe3++ΟΗ-+HO·此外,電催化反應(yīng)過程生成的Fe2+、Fe3+,反應(yīng)后生成強吸附能力的Fe(OH)2、Fe(OH)3,能吸附廢水中的不溶性顆粒和膠體物質(zhì),形成絮體沉淀,使廢水得到凈化。曝氣一方面提供了電極反應(yīng)所需的O2,生成強氧化能力的活性物質(zhì),同時起到攪拌作用,加快了傳質(zhì)速度和電催化反應(yīng)速度。無數(shù)微型電解槽的產(chǎn)生極大地提高了電流效率和反應(yīng)速度,增加了電極面積,使三維電極法具有高效、低耗的特點。1.3廢水的采集和處理取一定量的桉木木片(廠家提供),經(jīng)洗滌后按1∶4的液比加入水和藥品,其中NaOH用量為2%,Na2SO3用量為2%(質(zhì)量分數(shù)),在M/K蒸煮系統(tǒng)中快速加熱(升溫速度為300℃/h)至攝氏100℃,保溫一段時間后,放出蒸煮廢液作為廢水。廢水水質(zhì)如表1所示。CODCr、色度、BOD5、總懸浮物(SS)、pH值等指標均采用國家標準方法測定。2結(jié)果與討論2.1色度去除率與cocdr的關(guān)系取150mLpH值為4的廢水于電解槽中,調(diào)節(jié)槽電壓為5V,曝氣,進行三維電極法廢水處理實驗,得到反應(yīng)時間與CODCr和色度去除率之間的關(guān)系(如圖2)。由圖2可知,在30min內(nèi),廢水CODCr和色度的去除率均隨反應(yīng)時間的增加而增加,當反應(yīng)時間為30min時,CODCr去除率約為60%,色度去除率約為90%。反應(yīng)時間超過30min后,CODCr和色度去除率增長緩慢,說明電催化氧化還原反應(yīng)在30min內(nèi)基本完成。2.2色度的去除率從圖3可見,三維電極法對CTMP廢水的CODCr和色度的去除率與槽電壓有密切的關(guān)系。當槽電壓從1V升至9V,CODCr和色度的去除率也隨之上升。在槽電壓為3V時,CODCr去除率約為60%,色度去除率為90%。此后,隨槽電壓增加,CODCr和色度去除率變化不大。槽電壓小于3V時,電耗增長緩慢,此后隨槽電壓的增加,電耗迅速上升。這是因為隨著槽電壓的增加,電極上發(fā)生了析氫、析氧等副反應(yīng),反應(yīng)過程的熱損耗也大幅增加,造成電能損耗明顯增加,電流效率下降。因此,本實驗中3V是較佳的槽電壓。2.3ph值對cocdr去除率的影響由圖4可知,三維電極法對廢水的處理效果與pH值密切相關(guān),CODCr和色度的去除率隨pH值的上升而下降。在pH值為3~5的范圍內(nèi),CODCr的去除率約為60%,色度去除率在90%以上,當pH值大于5時,CODCr去除率下降較快,而色度去除率顯著下降。這表明酸性條件有利于三維電極電催化氧化還原反應(yīng)的進行。2.4廢水要注重利用后的化性來研究檢測pH值為4,反應(yīng)時間為30min,槽電壓為3V的實驗條件下三維電極法處理后廢水的可生化性,并與處理前的廢水比較(見表2)。由表2可知,BOD5/CODCr從處理前的0.32提高到處理后的0.45,廢水可生化性提高,有利于后續(xù)生化處理的順利進行。這是因為三維電極處理過程的電化學(xué)反應(yīng),破壞了難生化的有機大分子結(jié)構(gòu),使之分解成易于生化的小分子,同時降低了廢水毒性。2.5維電極法圖5是二維平板電極法槽電壓與CODCr和色度的去除率之間的關(guān)系,即電解槽中不裝填任何填料時的廢水處理效果。實驗反應(yīng)時間為30min。對比圖5和圖3可見,在相同的槽電壓下,二維平板電極法對CTMP廢水的CODCr和色度的去除率均不如三維電極法。在槽電壓為3V時,二維平板電極法CODCr的去除率低于20%,色度去除率小于10%,分別比三維電極法低40個百分點和80個百分點。這是因為在三維電極法處理廢水過程中,電解槽中的每個粒子都成為1個電極,因此電極面積遠遠大于二維平板電極法,電催化氧化還原反應(yīng)在每個電極表面同時進行,傳質(zhì)速度和反應(yīng)速度加快,電流效率和時空效率高。同時,三維電極法處理廢水過程中,電催化反應(yīng)過程生成了強氧化性的物質(zhì)H2O2和HO·,能有效地降解和去除有機污染物。另外,二維平板電極法的電耗隨槽電壓的變化趨勢與三維電極法相似。對比圖3和圖5可知,當CODCr去除率同為40%時,二維平板電極法電耗大于30kWh/t水,而三維電極法電耗小于2kWh/t水,達到相同廢水處理水平的條件下,三維電極法的節(jié)能效果顯著。3反應(yīng)時間和處理效果3.1三維電極法能有效地降解和去除CTMP制漿廢水中的污染物,CODCr去除率大于60%,脫色率大于90%。三維電極法對CODCr和色度的去除率與反應(yīng)時間、槽電壓、廢水pH值等因素關(guān)系密切,在反應(yīng)時間為30min,槽電壓3V,pH值為3~5的條件下,處理效果良好。3.2三維電極法充分發(fā)揮了電