电凝聚法去除味精废水中悬浮物的机理及数学模型.pdf

电凝聚法去除味精废水中悬浮物的机理及数学模型 丁忠浩1 卢寿慈2 11 武汉科技大学 湖北 武汉 21 北京科技大学 北京 100083 摘 要 采用电凝聚法对味精废水进行处理 对电凝聚机理 进行了探讨和理论分析 根据理论分析和合理假设推导出 的电凝聚效率公式 描述了电凝聚过程中 3 个主要影响因 素 电流强度 通电时间 废水中有机物浓度对电凝聚效率的 影响 关键词 电凝聚 电极钝化 凝聚效率 脱色作用 电凝聚是用可溶性金属电极作为阳极 在直流 电场作用下净化水质的一种方法 1 在电凝聚中 最终生成的Al OH 3胶体凝聚剂 能使废水中的胶 体有机粒子 微细固体悬浮物凝聚成团 通过沉淀或 浮选除去这些物质 使废水中的 COD SS 等降低 从而起到净化废水的作用 1 实验方法 实验是在自制的电凝聚槽 185mm 140mm 110mm 中进行 槽中放置了数块金属铝块 每块铝 板的厚度为 2mm 高为 115mm 宽为 105mm 极板 间距 9mm 废水样依次倒入电凝聚槽中 通入直流 电流 在不同的条件下充电后 取出极板 停止搅拌 取出极板后倒出 500mL 溶液放入 500mL 量筒中沉 淀 6h 取上清 液化验 测 其 CODer 后 简写 为 COD 计算 COD 去除率 本次实验的原水 pH 317 COD 5490mg L 2 电凝聚试验研究 211 pH 值的影响 取 5 个废水样 均为 1500mL 分别调 pH 值为 2 317 5 7 9 依次倒入电凝聚槽中 通入直流电流 电流强度为 012A 通电时间为 15min 试验中 pH 值的变化对降低废水 COD 效果的影响结果如图 1 所示 212 电流大小对处理效果的影响 取5 个废水样 均为 1500mL 分别调节至 pH 值为 7 倒入电凝聚槽中 每个废水样均加入 10g 食用 NaCl 以活化电极 防止电极钝化 通入直流 电 通电时间仍为 15min 5 个废水样通入的电流大 小依次为 011 013 015 1 2A 试验结果如图 2 所 示 图 2 表明 在充电时间及 pH 值一定的条件下 当电流在一定范围时 随着电流的增大 COD 去除 率在逐渐增大 电流达到 1A 后 再继续增大电流 电凝聚效果变化不大 图 1 电凝法 COD 去除率随 pH 值的变化曲线 图 2 电凝法COD 去除率随电流大小的变化曲线 213 通电时间对处理效果的影响 取 5 个废水样 均为 1500mL pH 值均调至 7 左右 每个废水样均加入 10g 食用 NaCl 以活化电 极 防止电极钝化 通入电流电 电流大小为 110A 改变通电时间 试验结果如图 3 所示 图 3 表明 在 一定的 pH 值和通电电流条件下 随通电时间的延 第 6 卷 专辑 2000 年 10 月 中 国 粉 体 技 术 China Powder Science and Technology Vol 6 Suppl October 2000 长 COD 去除率提高 当通电时间达到 20min 后 再延长通电时间 COD 去除率提高不大 图 3 电凝法 COD 去除率随通电时间的变化曲线 214 不同材料对比试验 采用不锈钢等难溶材料为电极进行电凝聚试 验 其效果不佳 对不同的电极电凝聚处理水样以 及原水样进行化学分析 等离子发射光谱分析 分析 结果见表 1 由表 1 可见 当用铝电极进行电凝聚 处理时 铝离子大量溶于水中形成铝络离子 凝聚作 用较强 废水中 COD 和SS 的去除率较高 这说明电 凝聚过程中废水里的铝离子及其各种络离子的量是 影响电凝聚效率的关键因素 由表还可看出废水中 的pH 和 Cl 的量发生了较大的变化 经仔细观察发 现 在试验过程中电凝聚槽里有微小的气泡发生 可 能是H 和 Cl 在电凝聚过程中发生了电化学反应 被还原成气体所致 表 1 污染物和元素定量分析结果表 项 目原水样不锈钢电极水样铝电极水样 pH213518615 COD mg L 1261002311612332 T N mg L 1 198119221723 T P mg L 1 887883 SS842773185 Q Cl mg L 1 1530295417941 GQ Al3 mg L 1 0144 3 电凝聚法降低味精废水 COD 的机 理探讨 311 电凝聚过程分析 由上所述 当用铝板作电极进行电凝聚处理时 整个反应过程如下 阳极上的反应 AlAl3 3e U 0 1166V 1 Al3 6H2O Al H2O 3 3 2 阳极上的副反应 Cl 2OH ClO H2O 2e U 0 0189V 3 2Cl Cl2x 2e U 0 1136V 4 阴极上的反应 O2 2H2O 4e4OH U 0 01401V 5 阴极上的副反应 2Al3 6H2O 6e2Al OH 3 3H2x 6 副反应 3 的产物是次氯酸盐 它是一种强氧化 剂 能将味精废水中的有机物氧化分解成分子量较 小的有机物和变成无害成分 电解过程中新生的氢 氧化铝凝聚作用强 可有效地吸附和絮凝味精废水 中的胶体有机物及悬浮物 强化浮上分离或沉降效 果 副反应 4 的产物是氯气 溶于水中生成次氯 酸 同样也能氧化味精废水中的有机物 利于后续生 化处理 在阴极上还发生还原作用 使氧化型色素 还原成无色 312 Al3 的絮凝吸附机理 电凝聚法所得到的铝络合离子有很高的吸 附活性 其吸附能力高于一般药剂水解法所得 到的Al OH 3的吸附能力 电凝聚法降低味精废 水 COD 的机理与混凝法有很大类似 它主要是借 助于电化学反应产物的凝聚作用 电解过程中 pH 为 6 715 左右 这样 在由 Al H2O 6 3 最终 趋于Al OH 3 H2O 3的中间过程中 羟基可把单 核络合物通过桥键缩聚为多核络合物 Al H2O 6 3 H2O Al OH H2O 5 2 H2O 2 Al OH H2O5 2 Al2 OH 2 H2O 3 4 2H2O 7 上列缩聚反映的连续进行 将使络合物逐渐形 成高分子聚合物 这种高聚合物具有线型结构 通 过范德华引力 氢键 物理 化学的吸附作用吸附味 精废水中的胶体与悬浮物 另外 电解生成的 Al3 和 OH 最终可生成 Al OH 3胶体凝聚剂 在适当 的 pH 值下 吸附了味精废水中的胶体与悬浮物的 铝高聚物逐渐形成絮花 最后得以沉降 313 电凝聚效率数学模型 由前面分析可知 电凝聚过程中在废水里产生 的铝离子及其各种络离子的量是影响电凝聚效率的 关键因素 铝离子的数量主要与电凝聚过程中消耗 的电量有关 更进一步说明电凝聚效果主要由单位 体积的废水量所消耗的用电量来决定 因此 可建 232 China Powder Science and Technology 2000 Suppl 立电凝聚效率与用电量 或与通电时间以及电流强 度 电凝聚效率与废水单位体积污染物含量之间的 数学关系式 31311 数学模型的建立 1 电凝聚效率与电量的关系 对于给定的废水体系 单位体积中被凝聚的污 染物 如悬浮物 SS 非溶解的有机物 的浓度一定 则可凝聚的悬浮物和有机物微粒或胶体粒群总量也 一定 这些粒群总表面积也有一固定的量 假定这 些粒群表面性质均匀 单位微元面积上只能吸附一 定量的Al3 离子 同时假定每一个Al3 离子在微粒 表面占据同样面积 而且不影响周围的离子的吸附 那么电量 Q 趋向饱和时 Al3 在微粒粒群表面吸附 也趋向饱和 单位体积中粒群表面存在一个最大的 吸附极限 Al3 在微粒颗粒群表面吸附速度和吸附程度决 定着微粒群的凝聚程度和絮团的大小 也就决定了 絮团的沉降速度和溶液中微粒颗粒群 或污染物含 量 的去除率 因此可通过 Al3 在颗粒群表面的吸 附速度和吸附程度来推导电凝聚效率的数学表面 式 因为吸附速度与没有吸附 Al3 的面积成正比 与电量 Q 成正比 设微粒颗粒群吸附 Al3 的面积 百分比为 H 则未吸附 Al3 的面积为 1 H 那么 Al3 在颗粒群表面吸附速度 V吸为 V吸 K1Q1 1 H 8 其中 Q 为电量 H为已被 Al3 吸附后丧失吸附能 力的面积占总面积的百分比 当颗粒群表面吸附 Al3 越多 Al3 从颗粒群表面脱附的速度 V脱也 大 所以有 V脱 K2H 9 当吸附平衡时 V吸 V脱 由式 8 和式 9 得 H K1Q K2 K1Q RQ 1 RQ 10 其中 R K1 K2是吸附平衡常数 由前面分析可知 电凝聚效率 G 与进入粒群表 面双电层 Al3 的量有关 任一微元面积上只能定 量的吸附 Al3 每一Al3 离子占据同样的面积且不 影响周围 Al3 的吸附 对给定浓度的颗粒群 其总 表面积一定 存在一最大吸附极限 当粒群表面吸附 Al3 的量趋于饱和时 电凝聚效率也趋于某一极值 记为 G 因此 G G Al3 Al3 H 11 式中 G与 G 分别是电凝聚时某定条件 Q 下和饱 和Q 条件下电凝聚沉降效率 Al3 和 Al3 分 别是一定 Q 条件下和饱和Q 条件下粒群表面吸附 铝离子的量 而 Al3 Al3 也等于 H 由式 10 和 11 式得 G I t G RQ 1 RQ G RIt 1 RIt 12 其中 G 是与絮团大小及沉淀速度有关的量 它是与颗粒群的浓度 细度和表面积 颗粒群和介质 溶液的物理化学性质有关的常数 R K1 K2是与 吸附定位离子 电价数 离子半径 粒群表面的电性 和其他化学性质及溶液中离子状态有关的常数 它 是絮团间桥联作用强弱的度量 2 电凝聚效率与被凝聚物浓度的关系 当固定通电条件时 即电量 Q 为常数 当颗粒 群粒度分布为一定时 单位体积中被凝聚物质量浓 度 c 与被凝聚物粒子数量浓度 n 之间关系为 n 6 1013 P c QpQ 0 C D D3 dD 13 式中 Qp 颗粒群的颗粒密度 g cm3 D 颗粒直径 L m CD 颗粒粒度分布概率 引用 Smoluchowski 的碰撞频率校正公式 dn dt 4 3 Gd 3 n3 14 其中 dn dt 为碰撞频率 d 是颗粒直径 G du dz 是流态特征 即为速度梯度 当粒群粒度分布和流 态特征固定时 式 14 中因子 G d 都是常数 故由 式 13 和式 14 得浓度 c 对G的增加影响为 G dn dt R3c2 15 式中 R 为常数 当被凝聚物浓度升高到一定程度时 由于松散 的菌体絮团或有机物絮团干涉沉淀效应 使沉降效 率下降 浓度的增大使沉降效率 G沉降低的程度以 微分 dG沉 dc 表示 其与 Al3 在电凝聚槽中向溶液 中扩散和向粒群表面扩散的效率 G扩的乘机可直接 反映浓度对电凝聚效率的负面影响 记为 G K G扩 dG沉 dc 16 在浓度不高时 c 对G沉的影响远小于电流或通 电时间对 G扩的影响 因此在考虑浓度对 G影响时 G扩近似为常数 又 G沉U G 代入式 16 得 dG G dc G扩K dc R2 17 解得 G Kcexp c R2 18 其中 Kc和 R2都是常数 结合考虑式 15 与式 18 得 233 2000 年专辑 中 国 粉 体 技 术 G c G G R3c2 exp c R2 19 其中 R2 R3是由实验确定的常数 3 总数学模型 由公式 10 12 的推导可知 Gc包含在 G 中 设 G R0Gc 代入公式 12 并整理常数 最后 得到电凝聚效率 G F I t c 的总数学模型 G I t c R1c2 exp c R2 R3It 1 R3It 20 31312 数学模型的分析与讨论 1 G与I t 的关系 效率公式 20 是在理想状态前提下推导出的 当浓度 c 固定时 G与I t 的关系可用式 12 表示 当 I t Q 是常数时 式 12 则变成下式 G Q G K1Q 1 K1Q 21 当 Q 值很小时 1 K2Q U1 式 21 为 G C G K1Q 22 此时不论 I 与t 如何变化 G是I 和t 的线形函 数 与图 2 和图 3 中各曲线的前段直线部分相吻合 当 Q 较大时 1 K1Q U K1Q K1Q A 1 K1Q K 为常数 式 21 变为 G G K t 对不同的 Q 值 G有不同的对应值 Q 值增大 时 效率曲线相应平行上移 见图 2 图 3 中曲线中 后段水平部分 可见公式 21 较好的描述了 G 与 Q 值的关系 当因素 c t 固定 仅考虑 I 对 G 的影响时 式 12 可写成 G I G K2I 1 K2I 23 对照图 2可知 I 很小时 GU G K2I 描绘曲线 前直线段 当 I 适中 GU G I 1 n描绘曲线中间过渡 段 当 I 很大 GU G 描绘曲线后部水平段 可见 式 23 较好的描述了固定 t c 时电凝聚效率与 I 之 间的关系 同样 当因素 c I 固定 仅考虑 t 对 G的影响 时 式 12 可写成 G t G K2t 1 K2t 24 通电时间 t 对 G 的影响可用式 24 描述 讨论 同式 23 相似 参见图 3 2 G与c 的关系 基于碰撞机理 扩散机理及絮团沉淀原理建立 的公式 19 是在通电条件固定时 c 与Gc之间的关 系 通过对函数和其一阶 二阶导数的分析 公式 19 的曲线绘于图 4 其在浓度等于 2R2处的极大 值为 4R3R22e 2 其中 R2和 R3根据不同试验对 象取不同的常数 3 总数学解析式 当浓度固定时公式 20 成为式 10 当 I 和 t 都固定时公式 20 成为式 19 这两种特殊情况在 前已经充分讨论过 式 20 还可以概括固定 t 时 G G t c 和固定 I 时 G G t c 情况下所表示的 效率函数