电絮凝技术处理砷锑废水机理及多物理场数值模拟的研究

发布时间：2020-09-16 09:27

　　 近年来,由于砷、锑矿物不断开采冶炼及其化合物广泛而不合理的利用,导致国内外区域性或流域性砷、锑污染水体事件频发。因而有效治理砷、锑水体污染问题迫在眉睫。电絮凝技术因其具有易操作、可控性强、无需外加药剂、处理效率高等优势在水处理领域中广泛应用。本研究采用电絮凝技术去除废水中的砷和锑,试图从单因素分析与响应面优化设计、电絮凝产物特性表征、吸附动力学与热力学拟合及电絮凝体系数值模拟角度出发,探讨各因素对电絮凝处理效率的影响,研究电絮凝去除废水中砷和锑的最优化设计,探索砷和锑的去除机理及吸附行为,构建电絮凝体系中电场、流场和传质过程模型,以期建立和完善电絮凝处理砷锑废水的理论基础。研究表明以铁铝复合电极为阳极的电絮凝技术可去除废水中99%以上的砷和锑。电极采用单极串联方式可获得较低的过电位及较高的反应速率;增加电流密度可提高砷和锑的去除率;反应最佳pH范围在5.0～7.0;当初始浓度增加时,若达到较好的处理效果,需延长反应时间;溶解氧的增加有利于As(Ⅲ)的去除,而对Sb(Ⅲ)的去除起一定的抑制作用;以NaCl为电解质可减少电能的消耗并取得相对较好的去除效果;NO3-、SO42-的存在几乎不影响砷和锑的去除,但PO43-会与砷和锑竞争吸附位点,导致去除率降低,且随P043-浓度的增加抑制作用越显著。响应面设计研究表明曝气量和反应时间对砷去除率具有显著性影响,电流密度、pH和反应时间对锑去除率具有显著性影响。模型预测砷、锑废水的最佳反应条件分别为:电流密度13.19 A/m2、pH 7.0、曝气量0.32 L/min、反应时间20 min;电流密度28.67 A/m2、pH 5.24、初始浓度790.13μg/L、反应时间89.17 min,并通过实验验证。实验对锡矿山附近实际废水进行处理,砷和锑去除率均超过99%。电絮凝过程中砷、锑去除机理及其吸附行为研究表明在溶解氧环境中,As(Ⅲ)的氧化机制与活性中间体Fe(Ⅳ)有关。采用两阶段反应(石墨阳极反应+铁阳极反应)可将As(Ⅲ)有效转化为易去除的As(V),同时减少了反应时间。铁阳极-铜阴极电絮凝过程实现了 Sb(V)的有效还原,提高了总锑的去除率。通过ESEM/EDS、FTIR、XRD及XPS对电絮凝产物的表征可知,电絮凝产物具有微米级别的微晶体结构,Al(Ⅲ)的加入引起Fe(Ⅲ)氧化物/氢氧化物的晶格膨胀,增加了比表面积及其活性。产物物相组成主要为Al(OH)3、AIOOH、Fe304/Fe203、γ-[FeO(OH)]等铁/铝的氧化物/氢氧化物/羟基络合物,尚未发现砷酸铁、砷酸铝、锑酸铁等沉淀,表明吸附作用是基于铁铝复合电极的电絮凝技术处理低浓度砷锑废水的主要机理。根据吸附动力学、等温吸附模型及热力学拟合可知,该吸附过程是以化学吸附为主的单分子层吸附,温度升高有利于吸附过程的进行。电絮凝体系数值模拟研究结果表明在序批式电絮凝反应器中,改变极板间距d或阳极两端各加1 cm绝缘层均可有效改善反应器中的一次电流分布;采用电极构型2,d=3cm可获得更加均匀的一次电流分布,电极电流效率提高。在连续流反应器中,增加流速使停留时间分布曲线拖尾减小,峰形右移,减少停滞区的产生,使传质效率增加。但流速过高不利于絮体的生成及其与污染物间的有效结合。传质过程模拟表明当反应时间为5 min时,反应器内电解/水解速率大于传质速率,故Fe2+主要分布在阳极区域,OH-主要分布在阴极区域,Fe(OH)2主要分布在两电极中间。当反应时间为15 min时,在电迁移、扩散及对流作用下,Fe2+与OH-接触面积增大,反应器内Fe(OH)2分布增加,Fe2+和OH-浓度在出口处最小。Fe(OH)+浓度及其分布不受反应时间的影响,且一旦产生立即进入下一步的水解反应。综上所述,本研究为电絮凝技术处理砷锑废水操作参数的选择与反应器的优化提供了一定的理论基础,进一步建立和完善了电絮凝处理砷锑废水的反应机理,对解决目前日益严重的砷锑水体污染问题具有重要的意义。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X703
【部分图文】：

砷在水环境中的存在形式与溶液的ｐＨ和氧化还原电位Ｅｈ有关，在较低ｐＨ逡逑和温和还原条件（＞１００邋ｍＶ）下，Ａｓ（ＩＩＩ）是热力学稳定形态；而在氧化条件下，逡逑Ａｓ（Ｖ）是主要的存在形态。如图１．１所示，当溶液处于酸性条件时，砷主要以逡逑Ｈ２ＡｓＣＶ离子形态存在；当溶液为碱性时，砷主要以ＨＡｓ０４２？离子形态存在。而中逡逑－１－逡逑

常温下锑在水和空气中都比较稳定，不与稀酸作用，但可以与强氧化性酸如逡逑热浓硫酸、硝酸和王水等反应。在高温条件下，还可以与许多非金属作用，主耍逡逑反应产物如图１．２所示［４＿５１。逡逑（Ｓｂ＾ｓＴ＾）邋－邋0逡逑一：逡逑ｙ逡逑（＾ＳｂＦｙＳｂＦ＾邋（ＳＫ＇）逡逑图１．２锑的反应及其产物逡逑Ｆｉｇ．邋１．２Ａｎｔｉｍｏｎｙ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ逡逑锑在自然界中主要以Ｓｂ３＋、Ｓｂ５＋和Ｓｂ３？形式存在，负三价锑的氢化物毒性剧逡逑烈，在自然界中不稳定，易氧化分解为金属和水。而Ｓｂ（ＩＩＩ）和Ｓｂ（Ｖ）在弱酸至中逡逑性介质中易水解沉淀。在天然水中娣的浓度极低，平均约为０．２邋ｐｇ／Ｌ。常见的锑逡逑化合物包括锑的氧化物（Ｓｂ２０３和Ｓｂ２０５）、锑的卤化物、锑的氢化物以及有机铩逡逑化合物［＜５］。逡逑锑在水环境中的形态分布同样与溶液的ｐＨ和氧化还原电位有关，如图１．３逡逑所示ｍ。当处于氧化态电位时，锑主要以离子ＳｂＣＶ形态存在。当处于还原态电位逡逑－２－逡逑

常温下锑在水和空气中都比较稳定，不与稀酸作用，但可以与强氧化性酸如逡逑热浓硫酸、硝酸和王水等反应。在高温条件下，还可以与许多非金属作用，主耍逡逑反应产物如图１．２所示［４＿５１。逡逑（Ｓｂ＾ｓＴ＾）邋－邋0逡逑一：逡逑ｙ逡逑（＾ＳｂＦｙＳｂＦ＾邋（ＳＫ＇）逡逑图１．２锑的反应及其产物逡逑Ｆｉｇ．邋１．２Ａｎｔｉｍｏｎｙ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｉｔｓ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ逡逑锑在自然界中主要以Ｓｂ３＋、Ｓｂ５＋和Ｓｂ３？形式存在，负三价锑的氢化物毒性剧逡逑烈，在自然界中不稳定，易氧化分解为金属和水。而Ｓｂ（ＩＩＩ）和Ｓｂ（Ｖ）在弱酸至中逡逑性介质中易水解沉淀。在天然水中娣的浓度极低，平均约为０．２邋ｐｇ／Ｌ。常见的锑逡逑化合物包括锑的氧化物（Ｓｂ２０３和Ｓｂ２０５）、锑的卤化物、锑的氢化物以及有机铩逡逑化合物［＜５］。逡逑锑在水环境中的形态分布同样与溶液的ｐＨ和氧化还原电位有关，如图１．３逡逑所示ｍ。当处于氧化态电位时，锑主要以离子ＳｂＣＶ形态存在。当处于还原态电位逡逑－２－逡逑

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本文编号：2819694