微电解和高级氧化工艺处理Cu-EDTA的效能及机理

摘要

乙二胺四乙酸（英文名Ethylenediaminetetraacetic acid，简称EDTA）作为对重金属离子（如Cu2+、Ni2+、Pb2+、Co2+等）具有显著亲和力的强力螯合剂，已被广泛应用于工业之中。由于印刷电路板（PCBs）工业在化学镀铜工艺中使用了大量的EDTA，同时废液中常含有高浓度的Cu2+，因此形成了具有八面体结构的EDTA络合铜（Cu-EDTA）。Cu-EDTA在pH0~14范围内均保持相当稳定的状态，从而大大降低了采用常规化学沉淀法（如加碱沉淀、硫化物沉淀、碳酸根沉淀等）和其它工艺去除Cu2+的效率。废水中高浓度、强毒性的Cu-EDTA对水生植物和微生物具有严重危害，同时也对后续生化处理工艺降低BOD/COD提出了严峻的挑战。
　　微电解法采用成本低廉的废铁屑为原材料，在处理重金属络合废水时具有很好的效果，但对于微电解法在处理重金属络合废水中的反应机理尚缺乏清晰的认知，本文以Cu-EDTA溶液为研究对象，采用微电解法作为处理手段，对比了活性炭和铜屑两种阴极在微电解法中的处理效果，相比于不加阴极的单独Fe0法，微电解法能够大大提高铜离子的去除效率，而铜屑作为微电解法的阴极能有效提高反应速率，铁-铜微电解法对铜离子去除的伪一级反应的反应速率常数为0.084，铁-炭微电解法的伪一级反应的反应速率常数为0.066。铁-铜微电解法处理 Cu-EDTA溶液过程中的金属离子和 pH变化情况分析表明溶液中铜离子快速下降的同时伴随亚铁离子和总铁浓度快速升高，紫外光谱分析表明反应后主要产物为Fe3+-EDTA且微电解法对 EDTA的降解效果有限，红外光谱分析新生成沉淀物证实沉淀物主要为 Fe(OH)3。在对表观反应现象有了较为全面的了解的基础上，通过 Visual MINTEQ3.1软件模拟了Cu2+、Fe3+和Fe2+三种重金属离子和EDTA在pH0~14范围内的络合形态分布情况，采用软件模拟向 Cu-EDTA溶液中逐渐加入 Fe3+或Fe2+或同时加入Fe3+和Fe2+对EDTA与Cu2+在pH为0~14时络合形态的变化情况，以此揭示微电解反应过程中的微观变化。Fe3+对 Cu2+-EDTA有很好的解络作用， Fe3+/Cu2+越大，pH越低，解络效果越好；Fe2+也能有效地使EDTA与Cu2+解络， Fe2+/Cu2+越大，pH越高，解络效果越好。结合表观现象和模拟结果可知，微电解法处理Cu-EDTA的主要过程为铁屑溶解产生大量Fe2+，Fe2+被水中溶解氧氧化为Fe3+，高浓度的Fe3+使EDTA与Cu2+解络生成Fe3+-EDTA和游离态Cu2+，Cu2+被铁屑还原而去除，而 Fe3+-EDTA由于铁屑的还原作用得到了少量降解。采用亚铁离子活化过硫酸盐法处理Cu-EDTA溶液时，PS/Fe2+越大，TOC去除率越高，但始终低于不加Fe2+时的TOC去除率，说明在该反应中Fe2+对EDTA的降解起到了抑制作用。采用热活化过硫酸盐法处理Cu-EDTA溶液，升高温度和提高过硫酸盐用量能有效提高EDTA的降解效率，当反应温度为25 oC、[PS]0/[Cu-EDTA]0=40/1时，反应60 min后铜离子去除率为86.8%，反应240 min后TOC去除率为21.1%，当反应温度为65 oC、[PS]0/[Cu-EDTA]0=40/1时，反应40 min后铜离子去除率为99.6%、TOC去除率为97.8%，EDTA得到了彻底矿化；在反应温度为45 oC时，当过硫酸盐用量从[PS]0/[Cu-EDTA]0=5/1提高到[PS]0/[Cu-EDTA]0=150/1时，反应60min后铜离子去除率由91.1%提高到了98.6%，反应240 min后TOC去除率从35.0%提高到了97.9%。热活化过硫酸盐法在酸性条件下对EDTA的降解效果优于碱性条件。因此，采用热活化过硫酸盐法后接 Fe2+沉淀法也能保障重金属离子的去除，同时能有效降解EDTA。
　　采用 Fenton氧化法处理 Cu-EDTA溶液，当初始 pH为3、H2O2/Fe2+/[Cu2+-EDTA]0为2.5/1/0.0625时，反应30 min后TOC去除率为77.3%，调节pH沉淀后铜离子去除率为98.6%，说明EDTA在反应过程中被降解并部分矿化，失去了络合作用；将铁-铜微电解法与Fenton氧化法联用，可以达到99.4%的铜离子去除率和73.1%的TOC去除率，能保障重金属离子的彻底去除并有效降解EDTA，是一种经济高效的重金属络合废水处理工艺。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 重金属络合废水处理技术

1.3 研究目的与意义及主要研究内容

第2章 实验材料和方法

2.1 实验试剂与材料

2.2 实验仪器和设备

2.3 实验步骤与方法

2.4 实验分析检测方法

第3章 微电解法处理Cu2+-EDTA溶液的效能及其机理

3.1 铁-炭微电解法处理Cu2+-EDTA溶液的影响因素研究

3.2 铁-铜微电解法处理Cu2+-EDTA溶液的影响因素研究

3.3 铁-炭（铜）微电解与单独Fe0法处理效果的对比

3.4 铁-炭微电解法和铁-铜微电解法的动力学分析

3.5 铁-铜微电解过程中金属离子变化情况

3.6 铁-铜微电解处理前后溶液的紫外光谱分析

3.7 铁-铜微电解后新生成沉淀物的红外光谱分析

3.8 本章小结

第4章 Visual MINTEQ软件模拟金属离子与EDTA络合物形态分布

4.1 Cu2+、Fe3+、Fe2+与EDTA的络合形态分布

4.2 Fe3+与Cu2+比值和pH对Cu2+与EDTA解络程度的影响

4.3 Fe2+对Cu2+与EDTA解络程度的影响

4.4 Fe3+和Fe2+共同作用对Cu2+与EDTA解络程度的影响

4.5 Fe2+替代-沉淀法对Cu2+-EDTA的处理效果

4.6 本章小结

第5章 Fenton和过硫酸盐氧化处理Cu2+-EDTA溶液的效能

5.1 Fe2+活化过硫酸盐法处理Cu2+-EDTA溶液

5.2 热活化过硫酸盐法处理Cu2+-EDTA溶液

5.3 Fenton氧化法处理Cu2+-EDTA溶液

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

声明

致谢