電絮凝技術(shù)處理砷銻廢水機(jī)理及多物理場(chǎng)數(shù)值模擬的研究.pdf

1、近年來，由于砷、銻礦物不斷開采冶煉及其化合物廣泛而不合理的利用，導(dǎo)致國內(nèi)外區(qū)域性或流域性砷、銻污染水體事件頻發(fā)。因而有效治理砷、銻水體污染問題迫在眉睫。電絮凝技術(shù)因其具有易操作、可控性強(qiáng)、無需外加藥劑、處理效率高等優(yōu)勢(shì)在水處理領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
　　本研究采用電絮凝技術(shù)去除廢水中的砷和銻，試圖從單因素分析與響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)、電絮凝產(chǎn)物特性表征、吸附動(dòng)力學(xué)與熱力學(xué)擬合及電絮凝體系數(shù)值模擬角度出發(fā)，探討各因素對(duì)電絮凝處理效率的影響，研究電

2、絮凝去除廢水中砷和銻的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，探索砷和銻的去除機(jī)理及吸附行為，構(gòu)建電絮凝體系中電場(chǎng)、流場(chǎng)和傳質(zhì)過程模型，以期建立和完善電絮凝處理砷銻廢水的理論基礎(chǔ)。
　　研究表明以鐵鋁復(fù)合電極為陽極的電絮凝技術(shù)可去除廢水中99%以上的砷和銻。電極采用單極串聯(lián)方式可獲得較低的過電位及較高的反應(yīng)速率；增加電流密度可提高砷和銻的去除率；反應(yīng)最佳pH范圍在5.0～7.0；當(dāng)初始濃度增加時(shí)，若達(dá)到較好的處理效果，需延長反應(yīng)時(shí)間；溶解氧的增加有利于As(

3、Ⅲ)的去除，而對(duì)Sb(Ⅲ)的去除起一定的抑制作用；以NaCl為電解質(zhì)可減少電能的消耗并取得相對(duì)較好的去除效果；NO3-、SO42-的存在幾乎不影響砷和銻的去除，但PO43-會(huì)與砷和銻競(jìng)爭吸附位點(diǎn)，導(dǎo)致去除率降低，且隨PO43-濃度的增加抑制作用越顯著。
　　響應(yīng)面設(shè)計(jì)研究表明曝氣量和反應(yīng)時(shí)間對(duì)砷去除率具有顯著性影響，電流密度、pH和反應(yīng)時(shí)間對(duì)銻去除率具有顯著性影響。模型預(yù)測(cè)砷、銻廢水的最佳反應(yīng)條件分別為：電流密度13.19A/m2

4、、pH7.0、曝氣量0.32L/min、反應(yīng)時(shí)間20min；電流密度28.67A/m2、pH5.24、初始濃度790.13μg/L、反應(yīng)時(shí)間89.17min，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)對(duì)錫礦山附近實(shí)際廢水進(jìn)行處理，砷和銻去除率均超過99%。
　　電絮凝過程中砷、銻去除機(jī)理及其吸附行為研究表明在溶解氧環(huán)境中，As(Ⅲ)的氧化機(jī)制與活性中間體Fe(Ⅳ)有關(guān)。采用兩階段反應(yīng)（石墨陽極反應(yīng)+鐵陽極反應(yīng)）可將As(Ⅲ)有效轉(zhuǎn)化為易去除的As(Ⅴ)

5、，同時(shí)減少了反應(yīng)時(shí)間。鐵陽極-銅陰極電絮凝過程實(shí)現(xiàn)了Sb(Ⅴ)的有效還原，提高了總銻的去除率。通過ESEM/EDS、FTIR、XRD及 XPS對(duì)電絮凝產(chǎn)物的表征可知，電絮凝產(chǎn)物具有微米級(jí)別的微晶體結(jié)構(gòu)，Al(Ⅲ)的加入引起Fe(Ⅲ)氧化物/氫氧化物的晶格膨脹，增加了比表面積及其活性。產(chǎn)物物相組成主要為Al(OH)3、AlOOH、Fe3O4/Fe2O3、γ-[FeO(OH)]等鐵/鋁的氧化物/氫氧化物/羥基絡(luò)合物，尚未發(fā)現(xiàn)砷酸鐵、砷酸鋁、

6、銻酸鐵等沉淀，表明吸附作用是基于鐵鋁復(fù)合電極的電絮凝技術(shù)處理低濃度砷銻廢水的主要機(jī)理。根據(jù)吸附動(dòng)力學(xué)、等溫吸附模型及熱力學(xué)擬合可知，該吸附過程是以化學(xué)吸附為主的單分子層吸附，溫度升高有利于吸附過程的進(jìn)行。
　　電絮凝體系數(shù)值模擬研究結(jié)果表明在序批式電絮凝反應(yīng)器中，改變極板間距d或陽極兩端各加1 cm絕緣層均可有效改善反應(yīng)器中的一次電流分布；采用電極構(gòu)型2，d=3cm可獲得更加均勻的一次電流分布，電極電流效率提高。在連續(xù)流反應(yīng)器中，

7、增加流速使停留時(shí)間分布曲線拖尾減小，峰形右移，減少停滯區(qū)的產(chǎn)生，使傳質(zhì)效率增加。但流速過高不利于絮體的生成及其與污染物間的有效結(jié)合。傳質(zhì)過程模擬表明當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為5min時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)電解/水解速率大于傳質(zhì)速率，故Fe2+主要分布在陽極區(qū)域，OH-主要分布在陰極區(qū)域，F(xiàn)e(OH)2主要分布在兩電極中間。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為15min時(shí)，在電遷移、擴(kuò)散及對(duì)流作用下，F(xiàn)e2+與OH-接觸面積增大，反應(yīng)器內(nèi)Fe(OH)2分布增加，F(xiàn)e2+和OH-濃度在出