含鈷廢水處理技術(shù)
鈷是保證人體健康所需的微量元素，但攝取過(guò)多會(huì)引起胃腸功能紊亂、心肌炎、甲狀腺腫大等疾病，若長(zhǎng)期接觸含鈷粉塵易患黃疸及皮膚炎。且鈷對(duì)水生動(dòng)物的毒性顯著，250mg即可導(dǎo)致虹蹲魚(yú)死亡。因此，含鈷廢水若不經(jīng)處理任意排放，會(huì)嚴(yán)重危害人類(lèi)健康、破壞生態(tài)環(huán)境。目前，含鈷廢水的處理方法主要有化學(xué)沉淀-浮選法、吸附法、離子交換法、膜分離法。前兩種方法需引入化學(xué)藥劑，可能造成環(huán)境二次污染，且產(chǎn)物中的鈷以化合態(tài)或其他形式存在，需進(jìn)一步處理，造成處理成本提高及鈷資源浪費(fèi)；后兩種方法雖可回收鈷離子，但對(duì)水質(zhì)及操作條件要求嚴(yán)格。而利用電化學(xué)技術(shù)處理含鈷廢水的研究甚少。三維電極法因其電解效率高、傳質(zhì)速率快、面體比大，以及易于自動(dòng)化、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域。
本工作采用并聯(lián)式單極性三維電極電解處理低濃度含鈷廢水并回收金屬鈷，比較了二維電極與三維電極的鈷離子去除效果，探討了填充材料、電流、填充比（填充材料與廢水的質(zhì)量比）、廢水pH對(duì)鈷離子去除效果的影響，建立了反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1材料和儀器
網(wǎng)狀Ti/RuO2：寶雞隆盛有色金屬有限公司；活性炭：4~10目，上海唐新活性炭有限公司；石英砂：10~20目，上海唐新活性炭有限公司；空心鋼球：φ10mm，豐潤(rùn)守剛冶金建材有限公司。
廢水：某鈷冶煉廠(chǎng)電解車(chē)間排放廢水，廢水排放量約為400m3/d，鈷離子質(zhì)量濃度為100~120mg/L，pH=2~3。實(shí)驗(yàn)前對(duì)廢水進(jìn)行了實(shí)測(cè)，廢水成分見(jiàn)表1。
WYJ-3003/DS2型直流穩(wěn)壓電源：浙江正泰電器股份有限公司；AA-7000型原子吸收分光光度計(jì)：日本島津公司。
1.2實(shí)驗(yàn)裝置
電解槽由有機(jī)玻璃制成，采用并聯(lián)單極性形式，幾何尺寸為110mm×120mm×130mm；陽(yáng)極選用110mm×125mm析氯過(guò)電位低的網(wǎng)狀Ti/RuO2；陰極選用100mm×125mm不銹鋼板，并作為主電極；將空心鋼球、活性炭或活性炭+石英砂分別填充到電解槽中，作為第三極；設(shè)置隔膜分離陽(yáng)極與第三極。電源采用直流穩(wěn)壓電源。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖1。
1.3實(shí)驗(yàn)方法
將6L廢水注入電解槽與循環(huán)槽，并經(jīng)蠕動(dòng)計(jì)量泵循環(huán)運(yùn)行，加入鹽酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)廢水pH。電極間距設(shè)定為5cm，電解60min，每隔10min取樣測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)沉積于陰極板上的金屬鈷進(jìn)行干燥回收。
1.4實(shí)驗(yàn)原理
采用電化學(xué)方法除鈷的基本原理是：在電場(chǎng)力作用下，鈷離子向陰極定向遷移，在陰極發(fā)生電還原反應(yīng)生成金屬鈷單質(zhì)（Co2++2e=Co↓，E0=-0.28V）；電解液中的陰離子（主要是Cl-）向陽(yáng)極定向遷移，在陽(yáng)極發(fā)生電氧化反應(yīng)生成氯氣（2Cl-+2e=Cl2↑，E0=1.36V）。
1.5分析方法
采用原子吸收分光光度法［18］測(cè)定廢水中鈷離子的質(zhì)量濃度，計(jì)算去除率。稱(chēng)量沉積于陰極板的金屬鈷，由陰極生成鈷的實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量之比計(jì)算電流效率。
2結(jié)果與討論
2.1二維電極與三維電極的鈷離子去除效果比較在填充材料為活性炭（二維電極無(wú)填充）、電流為0.6A、活性炭加入量為500g、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下，二維電極與三維電極的鈷離子去除效果見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)：二維與三維電極的鈷離子去除率均隨電解時(shí)間的延長(zhǎng)而增大；三維電極對(duì)鈷離子的去除率明顯優(yōu)于二維電極；電解時(shí)間為40min時(shí)，二維電極對(duì)鈷離子的去除率為31.2%，三維電極為62.9%，比二維電極提高了31.7個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，由數(shù)據(jù)計(jì)算可得，電解時(shí)間為60min時(shí)，三維電極的電流效率比二位電極提高了23.4%。這是因?yàn)椋号c二維電極相比，三維電極中的第三極與陰極相接觸，在主電場(chǎng)作用下使活性炭帶負(fù)電，可形成無(wú)數(shù)微小的帶電體，相當(dāng)于擴(kuò)展陰極，增加了陰極表面積；同時(shí)，由于第三電極間隙小，縮短了液相傳質(zhì)距離，加快了鈷離子的傳質(zhì)速率，減弱了濃差極化作用。綜上所述，三維電極對(duì)鈷離子的去除效果遠(yuǎn)優(yōu)于二維電極。
2.2三維電極鈷離子去除效果的影響因素
2.2.1填充材料
在電流為0.6A、填充材料高度為75mm、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下，填充材料對(duì)鈷離子去除率的影響見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，填充空心鋼球時(shí)鈷離子的去除效果最優(yōu)。這是因?yàn)椋嚎招匿撉驅(qū)щ娦詢(xún)?yōu)良、電阻率低，易于發(fā)生負(fù)極化現(xiàn)象；且電流分布于球表面，利于鈷離子的還原沉積。由圖3還可見(jiàn)，填充活性炭+石英砂時(shí)鈷離子的去除效果最差。這是因?yàn)，石英砂阻抗高，粒徑較小，阻隔粒子電極相互接觸，使第三級(jí)導(dǎo)電性能降低，導(dǎo)致槽電壓升高，鈷離子去除效果變差。
2.2.2電流
電流是影響第三極發(fā)生負(fù)極化作用的重要因素，其大小決定電極反應(yīng)速率。在填充材料為空心鋼球、填充比為2.5、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下，電解時(shí)間為60min時(shí)，電流對(duì)鈷離子去除率及電流效率的影響見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn)，隨電流增大，鈷離子去除率逐漸增大，而電流效率逐漸降低。由法拉第電解定律可知，在相同電解時(shí)間下，電流越大，提供的電量就越多，析鈷反應(yīng)速率就越快，生成的金屬鈷也越多，從而使鈷離子去除率增大。另一方面，當(dāng)廢水中的鈷離子已電解降至很低濃度時(shí)，即使陰極表面積很大，也無(wú)法消除濃差極化作用，因此，會(huì)發(fā)生電解水副反應(yīng)，隨電流強(qiáng)度增大，副反應(yīng)也加快，從而導(dǎo)致電流效率降低。由圖4還可見(jiàn)，當(dāng)電流大于0.6A時(shí)，鈷離子去除率增加緩慢？紤]到環(huán)保及能耗，選擇電流為0.6A較適宜，此時(shí)的鈷離子去除率可達(dá)85.6%，電流效率為68.3%。
2.2.3填充比
填充比是影響陰極表面積擴(kuò)展的重要因素。在填充材料為空心鋼球、電流為0.6A、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下，電解時(shí)間為60min時(shí)，填充比對(duì)鈷離子去除率的影響見(jiàn)圖5。
2.2.4廢水pH
在填充材料為活性炭、電流為0.6A、活性炭加入量為400g的條件下，電解時(shí)間為60min時(shí)，廢水pH對(duì)鈷離子去除率的影響見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，鈷離子去除率隨廢水pH的增大而逐漸增大。pH為4~7時(shí)，在電解過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)溶液渾濁不清，且在電極附近有大量絮凝體存在，推斷其為氫氧化物沉淀，此時(shí)鈷離子的去除主要?dú)w因于發(fā)生沉淀反應(yīng)，雖然去除率較高，但對(duì)電解回收金屬鈷不利，影響陰極沉積鈷的質(zhì)量。因此，從回收金屬的角度考慮，廢水pH不需調(diào)節(jié)。
2.2.5小結(jié)
以網(wǎng)狀Ti/RuO2為陽(yáng)極、不銹鋼板為陰極并作為主電極、填充材料為第三極，設(shè)定極間距5cm、電解時(shí)間60min，在填充材料為空心鋼球、電流為0.6A、填充比為2.5、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下處理鈷離子質(zhì)量濃度為112.3mg/L的廢水，鈷離子去除率可達(dá)85.6%、電流效率為68.3%。本工作主要針對(duì)鈷廢水中鈷的回收再利用，電解處理后廢水中鈷離子的含量并沒(méi)有達(dá)到相關(guān)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步處理。
2.3鈷離子去除反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型
由陰極電還原反應(yīng)方程式可推知鈷離子去除過(guò)程應(yīng)符合電化學(xué)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，但在電解過(guò)程中可能存在析氫副反應(yīng)（2H++2e=H2↑），使電化學(xué)過(guò)程變得復(fù)雜。假設(shè)鈷離子去除反應(yīng)遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式，其表達(dá)式見(jiàn)式（1），將式（1）積分可得式（2）。
-dρt/dt=kt（1）
lnρt=-kt+lnρ0（2）
式中：t為電解時(shí)間，min；ρ0和ρt分別為初始時(shí)刻和t時(shí)刻的鈷離子質(zhì)量濃度，mg/L；k為反應(yīng)速率常數(shù)。
在填充材料為空心鋼球、填充比為2.5、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下，對(duì)不同電流下鈷離子質(zhì)量濃度隨電解時(shí)間的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程（見(jiàn)式（2））擬合，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，3種電流下的回歸系數(shù)均大于0.95，表明線(xiàn)性相關(guān)性顯著，假設(shè)成立。
2.4經(jīng)濟(jì)性分析
以網(wǎng)狀Ti/RuO2為陽(yáng)極、不銹鋼板為陰極并作為主電極、填充材料為第三極，設(shè)定極間距5cm、電解時(shí)間60min，在填充材料為空心鋼球、電流為0.6A、填充比為2.5、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下，經(jīng)計(jì)算，電沉積1kg鈷需消耗電能13.5kW·h，按電價(jià)0.8元/（kW·h）計(jì)，電費(fèi)為10.8元；按鈷銷(xiāo)售價(jià)格200元/kg計(jì)算，可創(chuàng)收189.2元。由此可見(jiàn)，三維電極法處理含鈷廢水既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。
3結(jié)論
a）利用單極性三維電極電解處理低濃度含鈷廢水是可行的，同時(shí)回收了貴金屬鈷，既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。
b）單極性三維電極法的鈷離子去除率與電流效率遠(yuǎn)高于二維電極。填充材料、電流、填充比均是影響電解效果的重要因素，應(yīng)結(jié)合具體廢水水質(zhì)情況，選擇適宜的參數(shù)組合。由于含鈷廢水一般為酸性，無(wú)需加堿調(diào)節(jié)pH。
c）以網(wǎng)狀Ti/RuO2為陽(yáng)極、不銹鋼板為陰極并作為主電極、填充材料為第三極，設(shè)定極間距5cm、電解時(shí)間60min，在填充材料為空心鋼球、電流為0.6A、填充比為2.5、不調(diào)節(jié)廢水pH的條件下處理鈷離子質(zhì)量濃度為112.3mg/L的廢水，鈷離子去除率可達(dá)85.6%、電流效率為68.3%。
d）鈷離子去除主要依靠陰極電還原反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
