复极性三维电极反应器处理焦化废水主要影响因素研究

92洁净煤技术2008年第14卷第1期复极性三维电极反应器处理焦化废水主要影响因素研究许宁,陶秀祥,吕则鹏,陈慧,朱红威(中国矿业大学化工学院,江苏徐州221008):以经吸附处理的活性炭-涂膜活性炭为填充粒子,对复极性流化床三维电极反应器处理焦化废水进行了静态条件试验研究。主要探讨了通气量、电解时间、涂膜活性炭比、槽电压对COD去除率的影响。结果表明,通气量为15L/min,通电时间为60min,涂膜活性炭比为45%,槽电压为6V时,COD去除率最高,达87%。废水主要成分也发生了较大变化。:三维电极;焦化废水;涂膜活性炭:X7031:A:10066772(2008)010092-03:2007-09-16:博士点基金项目(20020290006),中国矿业大学科学基金项目(E200407),煤炭加工与高效洁净利用教育部重点实验室开放基金项目(CPEUKF06-12):许宁(1982-),男,河北大城人,中国矿业大学生物化工专业在读硕士研究生,主要研究方向为环境生物技术。焦化废水是炼焦工业所产生的一种成分复杂、高毒性、难生物降解的高浓度工业废水。其中含有大量有机污染物,如酚类、多环芳烃、含氮有机物及杂环化合物等[1],对环境危害极大。三维电极法是一种新型的电化学处理技术。与传统的二维电极相比,三维电极极大扩展了电极表面积,传质速度及反应速度快,电流效率和时空效率高[2]。笔者采用自制复极性流化床三维电极反应器处理焦化废水,证明其实际操作的可行性,同时考察不同因素对焦化废水COD去除率的影响。111试验废水的来源及水质废水取自某焦化厂经过蒸氨除油的出水,pH为10左右,CODCr为3000mg/L。12实验装置及废水COD检测方法电极反应器由有机玻璃板制成,尺寸为10cm!5cm!10cm。主电极采用铜片制成,其面积为10cm!5cm,电极间距为10cm。填料由在废水中吸附饱和的4699!2362mm目活性炭颗粒及同样大小的涂膜活性炭按一定比例混合而成,填充量为30g(干重)。外加电压以直流稳压方式供给。复极性流化床三维电极反应如图1所示。1COD采用重铬酸钾法测定,具体见参考文献3。13实验方法涂膜活性炭制作方法见参考文献4。将在废水中吸附饱和的涂膜活性炭与未涂膜活性炭按一定的比例混合均匀,填入反应器内。用盐酸调节焦化废水pH到7,取300mL倒入反应器中,接通电源,同时通入压缩空气,电解一定的时间后,取样放干燥的烧杯中,静置除去不溶物,测定其COD,每个实验均重复3次,取平均COD去除率。CAJ-CD复极性三维电极反应器处理焦化废水主要影响因素研究93并且对处理前后的废水进行190~500nm波段扫描,对比处理前后扫描曲线的变化。221正交实验结果选取电解时间、槽电压、通气量、涂膜活性炭比4个因素,选取3个水平作正交试验,以COD去除率为指标,试验设计及试验结果见表1。正交试验结果表明,复极性三维电极对焦化废水COD的去除明显,去除率可达80%以上,由极差分析可知,在本试验范围内影响去除率各因素作用的大小顺序排列为:电解时间涂膜活性炭比通气量槽电压。22各主要因素对COD去除率的影响(1)电解时间对COD去除率的影响在不同电解时间下焦化废水COD去除率的变化趋势如图2所示。由图2可知,焦化废水的COD去除率随电解时间的增大而增高,但电解时间超过60min后,COD去除率增长缓慢。这是因为在此条件下,可以降解的有机物已经基本被降解,单靠延长反应时间,并不会大幅度提高降解效果。(2)涂膜活性炭比对COD去除率的影响复极性粒子群电解槽中的电流可以分成3部分[5]:∀反应电流,#旁路电流,∃短路电流。要提高电极反应的效率就要尽量增大电极上有效的反应电流,同时尽量减小旁路电流和短路电流。在电解槽中混入一定比例的绝缘性粒子(如涂膜活2COD(槽电压为75V;涂膜活性炭比例为45%;通气量为15L/min)性炭)可以改善粒子彼此之间的接触状态,使更多的粒子彼此孤立,有效地减少粒子之间的短路电流,相应地增大法拉第电流,提高反应效率[4]。不同涂膜活性炭比下焦化废水COD去除率的变化趋势如图3所示。由图3可知,涂膜活性炭比从15%到45%时,焦化废水的COD去除率随比例的增大而明显增大,但涂膜活性炭比超过45%后,继续增大比例,COD去除率反而下降。原因在于,涂膜活性炭所占比例过大时,粒子电极数量过少,有效电极面积减少,造成COD去除率下降。3COD(电解时间为60min,槽电压为75V,通气量为15L/min)(3)通气量对COD去除率的影响不同通气量下,测得的焦化废水COD去除率与通气量的关系如图4所示。结果表明,焦化废水的COD去除率开始随通气量的增大而增大,但气量增大至15L/min后,继续增大气量,COD去除率反而略有下降。这可能是因为,开始通气量的增大,可以明显提高溶液中反应物的传质速率,使粒子电极处于流化态,并增大溶液中溶解氧。但当通气量增大到一定程度后,氧气的溶解达到饱和,通气量过大,提供的氧气不能完全利用,反而增加了活性炭粒子间接触的机会,增大了短路电流,从而降低了COD去除率。(4)槽电压对COD去除率的影响电解液相与粒子电极之间的电位差是电化学反应的驱动力[6]。不同槽电压下焦化废水COD去除率的变化趋势如图5所示。由图5可知,焦化废水的COD去除率开始随电压的增大而明显增大,但电94洁净煤技术2008年第14卷第1期4COD(电解时间为60min,槽电压为75V,涂膜活性炭比例为45%)压超过6V后,继续增大电压,COD去除率反而有所下降。原因在于,当电压达到一定程度后,继续增大外加电压,主电极电位和感应粒子电极电位与其各自周围电解液相电位差继续增大,此时可被降解的有机污染物种类增多,但同时一些副反应也随之增多,如阳极析氧反应和阴极析氢反应,金属主电极的腐蚀反应等。实验过程中,当槽电压过高时,可以明显看到主电极表面有气体产生,反应结束后,可以看到活性炭表面包裹了一层沉淀类的物质,这可推测为从主电极溶出的Cu2+所产生的沉淀,这样就减少了三维电极的总面积,并急剧减少了活性炭表面吸附点,减少了填充颗粒对有机污染物的吸附降解能力,从而最终引起COD去除率的减小。并且随着电压的升高,反应体系温度升高,导致电化学阻抗增大,不利于电解反应的进行。5COD(电解时间为60min,涂膜活性炭比例为45%,通气量为15L/min)23废水处理前后190~500nm扫描曲线的变化取电解时间为60min,涂膜活性炭比例为45%,通气量为15L/min,槽电压6V时的出水作为处理后样品进行测试。废水处理前后190~500nm扫描曲线如图6和图7所示。图6中,曲线在250~290nm,显示中等强度的吸收,说明有苯环或杂苯环存在。在290~350nm时也显示中等强度的吸收,说明了羰基或共轭羰基的存在。图7中,250~290nm波段的曲线明显降低,说明电解过程中,苯环或杂环苯结构遭到了破坏。290~350nm波段的曲线也明显降低,说明羰基或共轭羰基也遭到了一定程度的破坏。这就说明了废水在电解过程中其主要成分进行了一系列的电化学变化而发生降解。关于具体产物的种类和变化过程等问题,需要进一步的实验研究。6(扫描波段为190~500nm,扫描精度为01nm)7(扫描波段为190-500nm,扫描精度为01nm)3以自制的复极性流化床三维电极反应器处理焦化废水的实验表明,通气量、电解时间、涂膜活性炭比、槽电压等都对焦化废水的降解有较大影响。在常温条件下,通气量为15L/min,涂膜活性炭比为45%,槽电压为6V,焦化废水在60min内COD去除率即可达到87%。而且废水主要成分也发生了较大变化。新型三维电催化电极和高效反应器的研制,三维电极法与其他处理方法的系统集成及处理单元的有机联合将是今后的发展方向[5]。:[1]赵健夫,钱易,顾夏声.焦化废水中难降解有机物的分析[J].环境工程,1991,9(1):31~33.[2]P.Tissot,M.Fragniere.Anodicoxidationofcyanideonareticulatedthreedimensionalelectrode[J].JournalofAppliedElectrochemistry,1994,24(6):509~512.[3]奚旦立,孙裕生,刘秀英.环境监测[M].北京:高等教育出版社,1996.389~391.[4]周抗寒,周定.用涂膜活性炭提高复极性电解槽电解效率[J].环境科学,1994,15(2):38~40.(98)98洁净煤技术2008年第14卷第1期6高硫洗矸的综合利用有其特殊性和难度,但并非不能,应坚持科学发展观,知难而进。回收硫铁矿是高硫洗矸综合利用不可或缺的一环,把住这一环,并坚持以发电为主导方向,可形成符合国家政策及环保要求的、理想的、合理的、具有松藻矿区高硫无烟煤洗矸综合利用自身特色的技术路线和产业链。:[1]王文泽,冯久舟.松藻矿区高硫无烟煤加工利用的现状及发展初探[J].洁净煤技术,2000(2):55~58.[2]何立辉.浅谈粉煤灰综合利用技术[N].环境保护导报,2000-03-27.ThediscussabouttheintegratedutilizationofhighsulphurwashedWANGWenze(SongzaoCoalandElectricityLiabilitycompanyJinjiyanwashingandpickingplant,Chongqing401446,China)Abstract:ThecharacteristicandintegratedutilizationactualityofhighsulphurblindcoalwashedinSongzaodiggingswereintroduced;andtheopinionsandconsiderationabouttheintegratedutilizationofhighsulphurwashed;atthesametime,theimportanttaches,dominantaspectsandtechnologicalrouteswerediscussed,too.Keywords:highsulphurwashed;comprehensiveutilization(94)[5]汪群慧,张海霞,马军等.三维电极处理生物难降解有机废水[J].现代化工,2004,24(10):56~59.[6]周抗寒,周定.复极性三维电极反应器电解槽内电极电位分布[J].环境化学,1994,13(4):318~322.ResearchonthemainfatorsinthetreatmentofcokeplantwastewaterbyBipolarThreedimensionalElectrodeReactorXUNing,TAOXiuxiang,LZepeng,CHENHu,iZHUHongwei(SchoolofChemicalEngineering&TechnologyChinaUniversityofMiningandTechnology,XuZhou221008,China)Abstract:Saturatedactivecarboncoatedactivecarbonasfillermaterials,experimentonthetreatmentofcokeplantwastewaterbyBipolarThreedimensionalFluidizedBedElectrodeReactorwascarriedoutTheinfluencesofairflow,time,theratioofcoatedactivecarbonandappliedvoltageontheremovalrateofCODwerediscussedItwasindicatedthattheremovalrateofCODwasover87%,whe