1、在二十世纪的许多年里，这种方法的应用在有限的范围内已经取得了不少成功。虽然最近对废水污水排放的环境限制条件的提高，但却反而提高了人们对电絮凝技术使用的兴趣。过去的十年来，这项技术已被越来越多地用于在发达国家的工业废水污水处理。电絮凝已经被提出作为各种废水污水的处理技术，例如包含食品和蛋白质废物的废水，纺织废水，含高岭石、膨润土、超细颗粒的水悬浮液，含氟废水，餐饮废水，纺织染料废水和含有害砷的冶炼厂废水。本文通过电絮凝实验调查研究废水中活性纺织染料的去除情况。2 电絮凝一般来说，在电絮凝过程中主要有三个步骤：（1）在电极表面的电解反应；（2）在水溶液中形成混凝剂；（3）可溶性或胶体污染物吸附在混
2、凝剂上并且通过沉淀或气浮去除。电极上的主要反应是： 阳极： Al Al（aq）3+ +3e （1） 阴极： 3H2O + 3e 3/2 H2 + 3OH （2）如果阳极电位足够高，二次反应也有可能发生，例如直接氧化废水中存在的有机化合物和氯离子。 2Cl- Cl2 + 2e （3）产生的氯是一种可氧化一些有机物强氧化剂。另一方面，pH值较高时，阴极上因受到OH离子的碰撞发生化学变化而产生H2 。 2Al + 6H2O + 2OH 2Al（OH）4 + 3H2 （4） 电极反应（1）和（2）产生的Al（aq）3+和OH-离子发生反应，形成各种单体物种， 图 1 雷马素红RB133活性染料的分子结
3、构像Al（OH）2+，Al（OH）2+，Al2（OH）4+和Al（OH）4；聚合物如Al6（OH）153+，Al7（OH）174+，Al8（OH）204+，Al13O4（OH）247+，Al13（OH）345+，根据复杂的沉降动力学最终形成Al（OH）3。 不同产物的生成率在脱色过程中发挥了重要的作用。染料分子和水解产物之间可能形成几种互动机制，并且这些机制的反应速度与介质的pH值和离子的形态有关。近年来两个主要的互动机制为：沉淀和吸附。每种机制都在一个独立的pH范围内起作用。在低pH值范围内的絮凝被称为为沉淀；而在较高的pH值范围内（ 6.5）则被称为吸附。 沉淀： 染料+单体铝染料单体铝
4、（固体） pH 4.0-5.0 （5） 染料+聚合铝染料聚合铝 （固体） pH 5.0-6.0 （6） 吸附： 染料+ Al（OH）3 颗粒 （固体） （7） 染料聚合铝 （固体）+ Al（OH）3颗粒 （固体） （8） 在pH值高于9时，Al（OH）4 也存在在反应系统中。刚形成的无定形Al（OH）3“卷絮体”的表面积大，这对可溶性有机物的快速吸附和对胶体粒子的网捕起到了很大的作用。这些絮凝聚合的过程如下： nAl（OH）3 Aln（OH）3n （9）并且这些絮体很容易通过沉淀和用H2 浮选而从水介质中去除。3 材料和方法3.1 材料在商业上可用的活性染料雷马素红RB133是从公司购得的，其
5、分子结果如表1所示。活性染料雷马素红RB133的特点由德斯达公司提供，可见汇总表1。3.2 实验装置实验装置见图1，恒温电絮凝装置由有机玻璃做成，尺寸为：65110mm。两个阳极和两个阴极都是由铝板做成（Al:99.53%），尺寸为：46553 mm，连接到一个数字直流电源的单极电源，模式为（Topward 6306D，30V和6A）。总有效电极面积为78cm3，电极之间的间距为11mm。表 1 雷马素RB133的特征图 2 实验装置示意图3.3 实验过程所有的操作均在25下进行，并且在恒磁场中保持200rpm的搅拌速度。在每次操作中，将250cm3的染料溶液倒入电解槽中。将电流密度调整到所需
6、的值（恒流模式），然后开始操作。在操作结束之后，将滤液在转速为200rpm的条件下进行离心过滤。在每次操作前，都要将电极表面的有机杂质用丙酮洗涤除净，而表面的氧化层则需放入用100ml的盐酸和200ml的乌洛托平试剂混合配制的新鲜溶液中浸泡5 min除去。在操作结束时，电极表面要求用清水彻底洗净，以去除表面可能存在的残渣，然后进行干燥，重新称重。3.4 分析方法含有雷马素红RB133的染料溶液保存在蒸馏水中。pH值和电导率可以分别用NaOH或H2SO4和NaCl加以调节到一个合适的值。染料溶液可以用岛津UV-160双光束分光光度计加以分析。染料浓度可以通过由吸光度绘制的工作曲线对比已知浓度溶液
7、的最大吸光度测得。（活性染料雷马素红RB133的最大吸光度为518nm） 脱色率E的计算公式如下： （12）其中，Ci是初始染料浓度（mg/L）和Cf最终的染料浓度（mg/L）。4 结果和讨论初始pH值，电导率，搅拌，效果率，电流密度，处理时间，染料浓度通过三个反应过程来考察：脱色率，脱色能力（每千克总溶解Al/染料去除千克数），以及电能消耗（千瓦小时/染料去除千克数）。4.1 初始PH值的作用pH值为3到11之间的对实验的影响如下：根据电极反应（1）和（2）知道Al3+和OH离子在摩尔比为1:3时产生；同时，比例少于3，估计在2和2.5之间，pH值为5-6时，会产生沉淀聚合物种，；这意味着O
8、H离子在此过程中会聚集在水相上，其浓度不仅由最初pH值决定，而且还由反应动力学和这个复杂水系统中的平衡反应决定。从图3可以看到，随着初始PH值从3增加到9，最后的浓度也相应的从8增加到近似到9，然后会因为Al（OH）3/Al（OH）4 的缓冲能力而几乎保持不变，根据反应11可以得到，它们因不断消耗OH 而pH值从较高降到9.4左右。 Al（OH）3 + OH Al（OH）4 （13）图 3 初始pH值：（a）对脱色效率的影响；（b）对电能消耗和脱色能力的影响（电导率，2000S/cm；电流密度10mA/cm2；染料浓度250mg/L；搅拌速度200rpm；反应时间，10 min）。低的pH值阻
9、碍Al（OH）3 絮体的形成反而促进羟基化合物的形成。正如图3所示，当初始pH值较低时，可以产生较高的效率。例如，当pH值为3时，根据机制概述式（5）和（6），染料分子这时可以发生有效的沉淀；当PH值在5到9时，脱色效率维持在一个较高的水平，大于9时，又跌落到一个较低水平。正如图3b所显示的那样，脱色能力图也与脱色效率图显现出相同的趋势。从测量电极重量发现，初始pH值对溶解氧电极的总质量测定的影响可以忽略不计。这表明，染料的沉淀过程对脱色效率的高低具有决定性的的影响，并且Al（OH）3絮凝体产生的带有吸附性的染料胶体聚合物对这一影响还具有辅助作用。此外，当pH值高于9时，根据反应式（9）可以看
10、出，絮体的数量减少，此时，脱色效率和能力都下降。最后，从图3b也可看到，去除染料所消耗的能量也是受初始pH值的影响；并且添加酸性或中性的介质有利于降低电能消耗。当pH值高于9时，和前面的原因相同，如果能量消耗突然增加，也会导致脱色效率的降低。4.2 电导率的影响 以NaCl作为支持性电解质考查电导率在250到4000 S/cm之间对反应结果影响。图 4 电导率对：（a）脱色效率的影响 ；（b）对能量消耗和脱色能力的影响（电流密度10mA/cm2 ；染料浓度，250mg/L；搅拌率，200rpm；初始pH值6；时间10min）。如图4a所见，脱色效率随着电导率的增加而稳步下降。最终，介质的pH值
11、和阳极溶解质量与电导率之间几乎互不影响。因此，这些因素不会对电导率的升高或脱色效率的降低产生影响，但水介质中的电导率的改变却可能引起离子强度变化。离子强度显然对发生在电絮凝之间的化学反应动力学和相之间的平衡产生影响。另一方面，如图4a所示，在电导率在500S/cm时，脱色能力出现一个弱峰值，然后稳步下降。从图4b可以看到，随着电导率的增加，电池电压和能耗也如所预期那样降低。4.3 转速的影响 转速在100到500 rpm 之间时对工艺性能的影响如下： 图 5 搅拌速度对：（a）脱色效率的影响；（b）对能耗和脱色能力的影响（电流密度10mA/cm2 ；电导率750初始pH值为6；如图5a所示，脱
12、色率在200rpm时具有最大值，然后平缓下降。出现最高值点这一现象可以用传热传值来有力地解释。然后Al（OH）3絮体的失稳可能导致了在具有较高搅拌速度时致使脱色率仍然下降。通过观察，最终的pH值是不会受搅拌速度的影响，阴极和阳极的溶解质量会出现小幅增加。而且，如图5a所示，脱色能力也会出现一个逆向的趋势，略显降低。另一方面，电池电压和能量消耗随着搅拌速度的增加也会出现小幅增加。4.4 电流密度和时间的影响电絮凝器的电流密度为2.5到25mA/cm2 之间时对工艺性能变化的影响如下：图 6 电流密度对：（a）脱色效率的影响 ：（b）电能消耗和脱色容量的影响（染料浓度250 mg/L；电导率，75
13、0 如图6a所示，脱色效率在电流密度15 mA/cm2 时迅速上升到92.50，之后电流几乎不受电流密度变化的影响。同时也可以看到，脱色能力与电流密度成反比。最终，pH值持续保持在9左右。因而，它不受电流密度的影响。阳极和阴极的电极溶解量与电流密度成线性关系。把线性回归用在log（脱色率）和log（MT）之间，MT 是指铝电极的总溶解量，通过以下关系式就可以得到一个高相关性系数（r2=9.5）： 脱色率 MT0.70 （13） 脱色容量 MT0.63 （14）通过观察也可得到，化学吸附剂也表现出同样的线性关系。这些关系表明，一定量的溶解了的阳极电极参加了羟基化合物的形成。而且，絮凝体的质量与絮
14、凝吸附能力也是线性相关的。从图6b可以看出，像预期一样，电压是电流密度的线性函数。其中当电流密度增加10倍时，电能消耗会增加35倍。 图 7 时间的影响：（b）对电能消耗和脱色能力的影响（染料浓度250mg/L；S/cm ；初始pH值 6； 电流密度10 mA/cm2）。当把图7中的a和b与图6中的a和b部分分别比较下来发现反应时间长短对结果的影响可以得出以下结论：从图7a可以看到随着时间的推移，富余的絮凝体产生的同时 脱色能力也随之下降。由于反应时间与电流密度所带来的影响具有相似性，可以把这两个参数合并在一起。即用F/m3来表示每立方米污水消耗的电量。为了检验这一设想的正确性，将脱色效率绘制
15、成图8这样的参数函数。以时间和电流密度为参数，几乎可以获得同前面一样的独立的数据点。在log（效率）和log（F/m3 ）之间建立线性回归方程，得到以下关系：图 8 负载装置对脱色效率的影响（染料浓度250 mg/L；电导率，750 初始pH值，6 ） 脱色效率 （F/m3）0.30 （r2=0.994） （14 ）4.5 染料浓度的影响 从图8 可以看到，当染料浓度从100增加到1000mg/L时，脱色率从100下降到70%。这意味着，染料浓度对效率的影响起关键性的作用。而染料溶液的最终pH值和溶解的铝阳极的质量几乎不受染料浓度的影响。同时，从图9可以看到，染料浓度与脱色能力的大小具有密切的
16、关系。把log（脱色能力）和log（染料浓度）建立回归方程（r2=0.986），可得到以下关系： 脱色能力 C00.16 （15 ）关系式（15）表示的是典型的化学混凝剂与 Freundlich型等温吸附线图。最终染料浓度的增加也会导致电池电压的增加。从图9b可以看出，当电流密度恒定时，即使电池电压小幅增加，能量消耗的增加也会很明显地表现出与染料浓度的反比关系。图9 初始染料浓度对：（b） 能耗和脱色能力的影响（时间10 min ；初始pH值为6 ；电流密度10 mA/cm2）。5. 结论电絮凝是消除废水或污水污染的一种有效操作过程。染料溶液的初始pH值和能耗的数量（F/m3）以及通过对可变成
17、本项目的控制，如电能和电极材料消耗这些过程变量的控制对提高脱色效率是具有有重要影响的。所以必须优化工艺条件，获得大批量能迅速沉淀染料分子的聚合物和和获得一个最佳的Al（OH）3絮体量，以便有效地捕捉胶体沉淀物，使固液分离在浮选阶段更容易完成。参 考 文 献1 Ahmed，M，N；Ram，R NRemoval of basic dye from wastewater using silica as adsorbent J Environ. Pollution，1992，12（77）：79-852 Abo-Elela，S，I.； El-Gohary， F， A； Ali， H， L；Abdel-W
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