靛蓝废水电絮凝机理与增效方法研究

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我国纺织染整行业废水排放量巨大,每年可达20~23亿吨,在全国工业中位居第三。国家对纺织印染废水问题逐渐重视,纺织染整行业废水排放标准要求随之提高。靛蓝染色废水具有色度深、碱度大、化学需氧量高、生物降解性差等特点,是印染废水中具有代表性的难处理废水之一。目前工厂常用化学絮凝法进行处理,但该方法需外加大量化学絮凝剂,成本较高,处理后污泥浓缩脱水困难。采用电絮凝技术替代化学絮凝技术,无需外加絮凝剂,具有处理过程可控、脱色效果好、污泥生成量少等优点。然而,电絮凝实际应用过程中存在絮体沉淀速度慢、电极易钝化等问题。本课题重点从电絮凝过程机制不明确,电极易钝化,絮体沉降速度偏低,处理后溶液化学需氧量(COD值)偏高等问题,进行了以下几方面工作:(1)为确定靛蓝废水无机盐环境下,铝阳极水解金属盐最佳存在条件,分析电极电化学行为,采用Al-Ferron逐时络合比色法探讨电絮凝过程中初始pH值、共存阴离子、电流密度对铝盐形态分布的影响,同时监测絮体Zeta电位、反应终止pH值、体系电流与电导率的变化。通过显微观察电极溶解腐蚀,利用电化学工作站测定电极极化曲线与电化学阻抗谱,分析其电化学行为。结果表明:靛蓝废水电絮凝过程中,最佳初始pH值范围为6~7,此时Alb含量较高;氯离子的加入可抑制电极钝化,提升电絮凝反应速率;低电流密度有利于电极均匀腐蚀和Alb的生成,电流密度为15 m A/cm~2时体系内Alb含量最高。(2)为阐述絮体形态特征与靛蓝染料去除的关系,揭示絮凝体对靛蓝染料的吸附动力学和吸附热力学,以铝为阳极,探究电解时间、反应温度、初始浓度对靛蓝染料去除率的影响,分析电解时间对絮体分形维数和平均粒径的影响规律。采用一级、二级和准一级动力学模型描述吸附过程,确定初始浓度对反应速率的影响。同时利用Langmuir、Freundlich和Redlich-Peterson等温吸附方程分析吸附类型、温度对反应趋势的影响。结果表明:电解30 min时,絮凝体结构相对松散并且平均粒径较大,染料去除率最高可达95.28%。动力学研究表明,电絮凝处理靛蓝染色废水符合准一级动力学方程,染料的吸附速率主要受扩散作用影响。由动力学速率参数结果可知,染料浓度控制在62.05 mg/L左右可获得最佳吸附效率。热力学研究表明,电絮凝絮体对靛蓝染料的吸附为单分子层吸附。靛蓝染料的吸附过程为放热的自发物理吸附,升温不利于吸附反应进行。(3)为提升电絮凝处理效率及絮体沉降速率,以天然黏土矿物为协同吸附剂,采用电絮凝-吸附联合工艺处理靛蓝染色废水。主要探究黏土类型对絮体沉降速率和Zeta电位的影响,以废水色度、浊度、脱色率和COD去除率为指标,评价絮凝处理效果。结合絮体显微观察,分析黏土矿物与电絮凝的协同作用机制。结果表明:黏土矿物的加入可降低Zeta电位绝对值,有利于絮凝作用发生;硅藻土与电絮凝的协同作用机制主要为网捕卷扫,同时兼具一定的电荷中和与吸附架桥作用;电絮凝反应结束后,仅需加入1 g/L硅藻土反应3 min,Zeta电位绝对值可降至15.585 mV,废水脱色率提升至94.08%。(4)为提升COD去除率、减少电极损失和电能消耗,构建过氧-交流电絮凝耦合体系。以COD为主要评价指标,重点研究电源类型、电极组合、处理方式对COD去除率和脱色率的影响,揭示COD的降解机制。结果表明:交流电絮凝通过提升絮体吸附容量增强了絮体吸附能力,处理后COD去除率为51.19%。过氧-交流电絮凝耦合体系进一步去除了废水体系中的亚硫酸盐和残留染料,处理后废水COD去除率和脱色率分别可达78.09%和98.47%,处理效果显著提升。此外,去除COD的比能量消耗分析表明耦合体系的比能耗最低,仅为直流电絮凝的30%。
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