喷射床电沉积法处理含重金属废水的研究

摘要

水体重金属污染所引起的环境问题已严重危及社会经济的可持续发展与民众身体健康，有关含重金属离子废水的处理研究长期以来受到了国内外学者的广泛关注。电沉积法是一种常用的含重金属离子废水处理方法，该法不仅能够降低水体中重金属离子浓度，而且还能回收水体中的金属资源，因此开展电沉积处理含重金属离子废水的研究具有理论与现实意义。 由于低浓度的含重金属离子废水很难保证较高的沉积率和电流效率，所以电沉积法的应用长期以来一直被局限在以电镀废水等为代表的高浓度重金属废水处理中。针对这一问题，本文在前人研究的基础上，自行设计了一套喷射床电沉积实验装置，以循环喷射微粒电极取代极板电极或流化床微粒电极，显著降低了电沉积对废水重金属离子的浓度要求，拓宽了其应用范围。通过对典型的单金属铜、镍和双金属铜、镍和铜、锌沉积的实验研究，考察了不同实验条件对金属离子沉积效果的影响规律，同时以Tafel、Nernst和Butler-Volmer等经典电化学理论为基础，对单、双金属离子沉积过程进行了动力学模拟分析，探讨了喷射床电沉积过程的主要反应机理。 单金属铜、镍电沉积实验研究结果表明，铜离子沉积最佳pH值为3，镍离子沉积最佳pH值为4.5，随着pH值逐渐升高，DO值逐渐增大;随着电流强度的增大，单金属铜、镍沉积率都增大，DO值也逐渐升高，但电流效率逐渐降低;铜离子最佳沉积温度为40℃，镍离子为35℃，随着废水温度升高，DO值逐渐降低;相同质量的阴极微粒粒径越小比表面积越大，沉积效果越好;废水中金属离子浓度越高，沉积率越低，但电流效率越高;鼓入氮气可有效降低废水中DO值，抑制沉积金属返溶，提升铜、镍离子的电沉积率;不同的pH值和温度条件下单金属的返溶速率都表现出很好的线性相关性。控制恒电流强度10A，废水温度40℃，pH值为3，微粒粒径1.8mm，初始铜离子浓度1000mg·L-1，鼓入氮气，电沉积300min铜离子的最高沉积率为90.64％，比不鼓氮气提高了12.21％，平均电流效率为81.14％，比不鼓氮气提高了8.33％;控制恒电流强度15A，废水温度35℃，pH值为4.5，微粒粒径1.8mm，初始镍离子浓度1000mg· L-1，鼓入氮气，电沉积180min，镍离子沉积率为66.77％，比不鼓氮气提高了31％，平均电流效率为64.61％，比不鼓氮气提高了13.97％。 双金属铜、镍和铜、锌的实验研究结果表明，双金属共沉积时，铜离子最佳pH值为3，镍离子最佳pH值为4.5，锌离子最佳pH值为3.5。随着pH值逐渐升高，DO值逐渐增大，由于置换反应的存在，镍、锌的净返溶率要高于铜，当pH值超过4以后，锌铜和镍铜之间的置换反应速率已经高于返溶速率;随着电流强度的增大，电沉积速率增大，铜、镍和铜、锌各自的沉积率和废水的DO值都会增大，但电流效率下降;随着废水温度升高，DO值逐渐降低，电沉积率、返溶速率和置换反应速率都增大，但铜、镍和铜、锌的总沉积率逐渐降低;鼓入氮气可有效降低废水DO值，降低沉积金属的返溶速率，强化废水的对流传质效果，提升铜、镍和铜、锌离子的共电沉积率，双金属在沉积过程中表现出明显的顺序性。对于铜、镍而言，控制恒电流强度15A，废水温度25℃，前210min控制pH值为3，后270min控制pH值为4.5，鼓入氮气，电沉积480min铜离子沉积率为99.88％，镍离子沉积率为85.21％，比不鼓氮气增加了17.69％，鼓氮条件下总沉积率为90.42％，比不鼓氮气提高了10.86％，平均电流效率为68.89％，比不鼓氮气提高17.72％。对于铜、锌而言，控制恒电流强度15A，废水温度25℃，pH为3.5，鼓入氮气，沉积210min后，铜离子沉积率已经超过99％，锌离子沉积480min后，沉积率为75.64％，比不鼓氮气提高了15％，鼓氮条件下铜、锌离子的总沉积率为87.19％，比不鼓氮气提高了8.6％，平均电流效率为65.59％，比不鼓氮气提高11.85％。 以电沉积过程电化学基本原理为基础，建立了单金属和双金属沉积过程中和关闭电流后铜、镍、锌离子浓度与电化学反应速率常数、返溶速率常数、置换反应速率常数、传质系数和沉积时间的微分方程，并根据边界条件求出了微分方程的通解。通过对方程参数的分析，验证了实验结果和动力学模拟分析结论的一致性，从理论与实际两个方面为喷射床电沉积的深入研究提供了科学依据。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．1．1研究背景

1．1．2研究意义

1．2含重金属离子废水的污染现状和危害

1．2．1含重金属离子废水的污染现状

1．2．2含重金属离子废水污染的危害

1．3含重金属离子废水的处理方法

1．3．1化学沉淀法

1．3．2气浮法

1．3．3吸附法

1．3．4离子交换法

1．3．5膜分离法

1．3．6生物法

1．3．7光催化法

1．3．8基因工程

1．3．9电化学法

1．4电沉积法处理重金属废水的研究进展

1．4．1电沉积法发展概况

1．4．2电沉积主要装置

1．5电沉积法的基本理论

1．5．1电极的极化

1．5．2电沉积反应电极过程

1．5．3电化学反应热力学

1．5．4电化学反应动力学

1．6本文主要研究内容和技术路线

1．6．1主要研究内容

1．6．2主要技术路线

第2章实验材料和方法

2．1实验试剂与仪器

2．1．1实验试剂

2．1．2实验仪器

2．2 SBE系统的设计与运行

2．2．1喷射床反应器

2．2．2电源和电极

2．2．3 SBE系统

2．3分析测试及实验方法

2．3．1铜离子浓度测定

2．3．2镍离子浓度测定

2．3．3锌离子浓度测定

2．3．4实验操作方法

2．4实验考察指标

2．4．1沉积率

2．4．2电流效率

2．4．3 DO值

2．4．4返溶量

第3章单金属离子电沉积实验研究

3．1单金属离子电沉积反应原理

3．2 SBE实验参数对单金属电沉积效果的影响

3．2．1 pH值对单金属离子电沉积效果的影响

3．2．2 电流强度对单金属离子电沉积效果的影响

3．2．3废水温度对单金属离子电沉积效果的影响

3．2．4离子浓度对单金属离子电沉积效果的影响

3．2．5微粒电极粒径对单金属离子电沉积效果的影响

3．2．6鼓入氮气对单金属离子电沉积效果的影响

3．3 SBE微粒电极电沉积后电镜表征分析

3．4本章小结

第4章双金属离子共电沉积实验研究

4．1双金属离子共电沉积反应原理

4．2 SBE实验参数对双金属共电沉积效果的影响

4．2．1 pH值对双金属离子共沉积效果的影响

4．2．2电流强度对双金属离子共沉积效果的影响

4．2．3废水温度对双金属离子共沉积效果的影响

4．2．4鼓入氮气对双金属离子共沉积效果的影响

4．3 SBE微粒电极电沉积后电镜表征分析

4．4本章小结

第5章重金属离子电沉积动力学模型

5．1单金属离子电沉积动力学模型

5．1．1边界条件假设

5．1．2单金属离子电沉积动力学模型

5．2双金属离子共电沉积动力学模型

5．2．1边界条件假设

5．2．2双金属离子共电沉积动力学模型

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的主要论著

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