三维电极电解处理含镍废水的研究
陈琳
摘要: 采用单极三维电极电解法处理低浓度含镍废水并回收金属镍。 对三维电极和二维电极的镍离子去除效果进行了对比研究。 还探讨了电流强度、填充材料、填充比例和pH值。 并根据极板间距对镍离子的去除规律，建立了反应动力学模型。 结果表明，三维电极的镍离子去除率远高于二维电极； 阳极为网状Ti/IrRu，阴极为不锈钢，第三极为空心钢球，电流0.8A，极板间距10cm。 当电解时间为2 h、填充比为2.8、废水pH值为5时，镍离子质量浓度为124.5 mg/L。 镍离子去除率可达93.3%，电流效率为56.8%。 除镍反应符合一级反应动力学模型。
关键词：含镍废水； 填充材料； 三维电极法； 反应动力学
CLC 分类号：X781 文档识别码：A 文章编号：1674-9944 (2019) 20-0060-04
1 简介
镍作为一种必需的微量元素，对人体健康具有重要作用。 人体内镍含量减少，会导致人患各种贫血、肝硬化等，但体内镍含量过多，还会引起炎症、癌症、神经衰弱、系统紊乱等多种危害。 因此，含镍废水如果不经处理直接排放，将会造成环境破坏，最终危害人类健康。 目前，含镍废水的主要处理方法有化学沉淀、离子交换、膜分离、电解和电絮凝技术。 化学沉淀法的去除效果不是很好，不太环保； 离子交换法处理镍废水时，去除效果会受到废液中其他离子的影响。 同时，设备价格昂贵，管理操作繁琐，占用大量空间，产品对环境有害。 有污染； 膜分离过程易污染，膜易堵塞，处理成本高； 电解法对低浓度镍离子废水去除率低，且消耗大量能源； 电解絮凝技术对于高浓度含镍废水效果显着。 去除效果良好。 本实验主要针对低浓度含镍废水，不适宜。 三维电极法以其比表面积大、传质速率快、电解效率高等诸多优点在废水处理行业得到了广泛的应用。 对处理低浓度金属废水也有效果。
本实验采用单极三维电极电解法处理含镍废水并回收金属镍。 讨论了废水pH值、填充比、电流强度、填充材料和电极板间距对Niz+去除效果的影响，建立了去除镍离子的方法。 反应动力学模型。
2实验部分
2.1 实验材料与仪器
网状Ti/IrRu：东莞市博信电极材料有限公司； 活性炭：4～10目，溧阳市南山活性炭有限公司； 石英砂：10～20目，巩义市美源净水材料有限公司； 空心钢球：ψ12mm，延吉钢球有限公司。废水排放量约200m3/d，镍离子浓度120-160mg/L，pH值约3-5。 废水成分见表1。
-3型可调直流稳压稳流电源：能化电源-济南能化机电设备有限公司。 AA-7000原子吸收分光光度计：日本岛津制作所。
2.2 实验装置
三维电极反应器由罐体、电极板和颗粒电极组成。 电解槽采用夹层石英有机玻璃制成，几何尺寸为220mm，采用空心钢球、活性炭或活性炭+石英砂作为第三极； 颗粒电极与磁力搅拌器之间采用塑料隔膜网隔开，可调直流稳压电源提供直流电。 实验装置示意图如图1所示。
2.3 实验原理
电解处理含镍废水的基本原理：在电场力的作用下，电解液中的镍离子迁移到阴极，在阴极被还原形成镍元素（Ni2++2e-=Ni↓ Eo=-0.246V）； 在阳极产生水分解电化学反应（2H2O=4H++4e-+O2↓，Eo=1.299V）。
2.4 实验方法
将水样注入三维电极反应器中，通过蠕动计量泵进行循环。 用盐酸或氢氧化钠溶液调节废水的pH值。 电解槽配有磁力搅拌器，用于搅拌混合电解液。 温度由循环水浴控制，直流电源供电。 实验; 定期取样检测，电解完成后，回收阴极板上的金属镍。
采用原子吸收分光光度法测定废水中镍离子浓度并计算去除率。 实验前后称量阴极板的质量，根据阴极产生的镍的实际质量与理论质量的比值计算电流效率。
3。结果与讨论
3.1 二维电极与三维电极镍离子去除率比较
当三维电极填充活性炭、电流为0.8 A、调节废水pH为5时，二维电极（无填充材料）与三维电极对镍离子的去除效果为如图2所示。
从图2可以看出，两种方法对镍离子的去除率均随着电解时间的延长而增加； 二维电极对镍离子的去除率远不如三维电极； 电解时间100分钟后，三维电极和二维电极对镍离子的去除率分别为85.4%和71.3%。 电解2小时后，具体数据计算表明，三维电极的电流效率远高于二维电极。 这是因为三维电极中的第三个电极与阴极接触，使活性炭带负电，相当于扩大了阴极表面积； 由于第三电极之间的液相传质距离缩短，镍离子的传质速率加快，从而浓差极化效应也减弱。 可见三维电极对镍离子有较好的去除效果。
3.2 影响三维电极去除镍离子效果的因素
3.2.1 填充材料
在电流0.6 A、填充材料高度100 mm、电解时间2 h、调节pH 4.5条件下，不同填充材料（空心钢球、活性炭、或活性炭+石英砂）对镍离子的去除效果进行了研究。 结果如图3所示。
从图3可以看出，随着电解时间的增加，三种填充材料的镍离子去除率均呈现增加的趋势。 空心钢球的镍离子去除率高于其他两种材料，高达92.1%。 与活性炭和活性炭+石英砂相比，其去除率分别提高8.4%和16.9%。 这是因为空心钢球电阻低、导电性好。 扩大阴极后的负极化效应明显，电流均匀分布在钢球表面，有利于与重金属离子接触，容易发生镍离子的电还原沉积反应。 当采用活性炭+石英砂作为填充材料时，镍离子的去除率低于其他两种填充材料。 主要原因是石英砂颗粒太小，阻抗高，使得第三电极的导电性能变差，最终产生镍离子。 去除率降低。
3.2.2 电流强度
电流强度直接影响电解过程，决定第三电极的负极化程度和电极反应速率。 是关键影响因素之一。 在废水pH值为5、填充材料为空心钢球、填充比为2.8、电解时间为2 h的条件下，研究了电流强度对镍离子去除效果的影响。 结果如图 4 所示。
从图4可以看出，当电流较低时，由于电解液中离子的电迁移速度较慢，镍离子去除率较低。 随着电流的增大，镍离子去除率逐渐增大。 这是因为第三极（空心钢球）颗粒高度极化，大大增加了颗粒电极的有效接触表面积，其表面电位与液相电位相差很大； 同时，根据法拉第电解定律可知，电流与电化学反应生成的物质量成正比，即电流越大，镍电沉积反应越快，镍电沉积反应越大。镍的产量越高，去除率越高。 然而，随着电解时间的延长，废水中镍离子的浓度不断降低，导致严重的浓差极化，析镍反应的效率下降。 水电解反应用电量过多，副反应析氢效应明显，从而造成镍的脱除。 离子的电流效率随着电流的增大而逐渐降低； 另外，电流过大时，物质转移过快，不利于镍离子与空心钢球充分接触，停留时间不足，也会造成电解液温度升高上升。 无用工序确实起作用，能耗增加，因此镍去除率提高缓慢。 考虑到能耗和成本问题，选择0.8A作为电流强度较为合适。 钴离子去除率可达93.3%，电流效率为56.8%。
3.2.3 废水pH值
pH值是重要的影响因素之一，因为它改变了重金属镍离子的存在形式，影响电解过程的阴极电流效率和液相传质速度。 在电流0.8 A、填充材料为活性炭、电极间距10 cm、电解时间2 h的条件下，研究pH值对镍离子去除的影响。 实验结果如图5所示。
从图5可以看出，当电解液pH值较低时，氢离子浓度较高，从而降低H+/H2过电势，导致副反应中析氢反应剧烈，主效率低。反应，并产生大量氢气泡，严重影响镍离子的传质。 工艺，特别是镍电沉积，因此镍离子去除率和电流效率较低。 随着pH值的升高，电解液中镍离子的去除率逐渐增大。 当pH值大于5时，镍离子去除率下降。 可能的原因有：①电解过程中，电解液变浑浊，经分析，絮体为氢氧化镍沉淀，影响破碎效果； ②氢离子数量急剧减少，导致有效离子（Ni2+）的传质效率下降，传质速率减慢。 同时阳极产生的OH较少，不利于镍离子的游离态。 因此，选择pH值5较为合适。
3.2.4 填充率
采用空心钢球作为填充颗粒，充当第三极。 改变空心钢球的填充比例是扩大阴极表面积的重要手段。 在电流强度0.8A、pH值为5、电极间距10 cm、电解时间2 h的条件下，研究填充比对镍离子去除效果的影响。 实验结果如图6所示。
从图6可以看出，随着填充率的增加，镍离子去除率逐渐增大。 原因是，当处理水量一定时，增加空心钢球颗粒就相当于增加了阴极的有效表面积，增加了镍离子与空心钢球的接触面积，非常有利于镍离子电沉积（电还原）反应。 当填充比大于2.8时，镍离子去除率趋于平坦，增加不明显； 表明通过增加填充材料量来扩大颗粒电极表面积并不能达到预期的处理效果。 如果空心钢球过多，极有可能造成颗粒电极与阴极/阳极之间的短路，从而对镍离子去除率产生不利影响。 因此，填充比为2.8较为合适。
3.2.5 极板间距对镍离子去除效果的影响
电解池之间的电压直接受极板之间距离的影响，电解池之间的电流也受其影响。 在废液中镍离子初始浓度为124.5 mg/L、pH值为5、填充比为2.8、电流强度为0.8A的条件下，电极间距控制在8 cm、9 cm、10cm，实验在11cm、12cm条件下进行。 图7显示了极板间距对镍离子去除率的影响。
从图7可以看出，随着极板间距的增大，镍离子的去除率呈现下降趋势。 造成这种现象的主要原因是极板间距影响电解液的电压降，进而影响电解槽的电压强度，同时也影响电解槽的电流强度。 当电流强度不变时，随着极板间距离的增大，电解槽系统的电阻增大，进而电压强度增大，功率增大。 极板间距的缩短可以降低电解液的电压，提高电解液的稳定性，同时也加快镍离子的反应速率。 但过度减小极板间距会降低电解槽的有效利用率，增加工作难度。 因此，应根据废液情况选择合适的板间距。
3.3 电化学去除镍离子反应动力学模型
在镍离子的去除过程中，理论上应该知道阴极上发生的还原方程符合反应动力学，但这是一个相对复杂的过程。 假设去除镍离子的过程遵循一级反应动力学方程，其表达式如式（1）所示。 对式(1)积分，可得式(2)。
4。结论
（1）采用三维电极电解处理低浓度含镍废水，使废水中的大量镍离子得到去除和回收； 在镍离子去除率和电流效率方面，二维电极法远远不如单极三维电极法。
(2)影响电解效果的因素包括：填充材料、废水pH值、填充比例、电流强度和极板间距。 因此，根据实际废水水质情况选择合适的参数组合极为重要。
(3)镍离子在阴极板上的还原反应遵循一级反应动力学模型。
（4）主电极阴极为不锈钢板，阳极为网状Ti/Ir-Ru，第三极为填充材料（空心钢球）。 将废水的pH调节为5，电流强度为0.8A，电极板间距为10cm。 在电解时间为2 h、填充比为2.8的条件下，处理镍离子质量浓度为124.5 mg/L的废水，电流效率为56.8%，镍离子去除率可达93.3%。
绿色科技2019年第20期
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