電絮凝外文翻譯鋁電極電絮凝脫色活性染料

1、學號： 08438222 常 州 大 學畢業(yè)論文外文翻譯（2012屆） 外文題目 Decolorization of Reactive Dye Solutions by ElectrocoagulationUsing Aluminum Electrodes 譯文題目 鋁電極電絮凝處理染料廢水外文出處 industrial. Engineering. Chemistry. Research. 2003, 42： 3391-3396 學 生 稅 勇 學 院 環(huán)境與安全工程學院 專 業(yè) 班 級 環(huán)工082 校內指導教師李英柳 專業(yè)技術職務講師 校外指導老師 無 專業(yè)技術職務無 二一二年一月鋁電極電絮

2、凝脫色活性染料O. T. Can, M. Bayramoglu, and M. Kobya*Engineering Faculty,Department of Environmental Engineering, Gebze Institute of Technology,41400 Gebze, Turkey.摘要：最近幾年，電絮凝法去除化工廢料中的污染物已經(jīng)變成了一個引人注目的方法。這篇文章講述了用鋁電極作為陽極電極在水介質中用電絮凝處理活性紡織染料中含有的雷馬素RB133。本文旨在研究廢水電導率，初始pH值，電流密度，攪拌速率，染料濃度和處理時間對脫色效率和能源消耗的影響。在早期操作過程

3、中形成的鋁羥基化合物可以有效地去除沉淀的染料分子；在接下來的過程中，Al(OH)3捕獲到膠體沉淀，并且在浮選階段中，使得固液分離更加容易。在整個電絮凝操作階段中，必須優(yōu)化設計經(jīng)濟可行的的操作過程。1 前言近年來，在紡織行業(yè)中，由染整工藝帶來的染料流失和廢水排放引起的污染已經(jīng)變成了一個嚴重的環(huán)境問題。染料在廢水中進行生物和化學反應，消耗水體中的溶解氧并且因為他們的毒性危害水生生物。因此，在向受納水體排放紡織染料廢水前進行處理是非常有必要的。傳統(tǒng)處理印染廢水的方法包括各種生物，物理和化學方法的組合。常見的生物處理過程在對高度結構化的低生物降解性聚合物型染料的處理往往效果不理想。在去除水體中的染料過

4、程中，各種物理化學技術也是可以使用的：化學混凝，沉淀和吸附的組合也被廣泛使用。而且，其他的先進技術例如，紫外線，臭氧氧化，超聲波分解或者是聯(lián)合氧化也可以被應用。然而，近年來，這些處理方法所帶來的高處理成本問題，使得更具經(jīng)濟效益方法的研究工作已經(jīng)加速展開。電絮凝是一個由可溶性的陽極電極持續(xù)在水中產(chǎn)生金屬氫氧化物絮體的過程，而這些電極通常是由鐵或鋁制成的。在二十世紀的許多年里，這種方法的應用在有限的范圍內已經(jīng)取得了不少成功。雖然最近對廢水污水排放的環(huán)境限制條件的提高，但卻反而提高了人們對電絮凝技術使用的興趣。過去的十年來，這項技術已被越來越多地用于在發(fā)達國家的工業(yè)廢水污水處理。電絮凝已經(jīng)被提出作為

5、各種廢水污水的處理技術，例如包含食品和蛋白質廢物的廢水，紡織廢水，含高嶺石、膨潤土、超細顆粒的水懸浮液，含氟廢水，餐飲廢水，紡織染料廢水和含有害砷的冶煉廠廢水。本文通過電絮凝實驗調查研究廢水中活性紡織染料的去除情況。2 電絮凝一般來說，在電絮凝過程中主要有三個步驟：（1）在電極表面的電解反應；（2）在水溶液中形成混凝劑；（3）可溶性或膠體污染物吸附在混凝劑上并且通過沉淀或氣浮去除。電極上的主要反應是： 陽極： Al Al(aq）3+ +3e（1）陰極： 3H2O+ 3e3/2 H2+ 3OH（2）如果陽極電位足夠高，二次反應也有可能發(fā)生，例如直接氧化廢水中存在的有機化合物和氯離子。2Cl- C

6、l2+ 2e（3）產(chǎn)生的氯是一種可氧化一些有機物強氧化劑。另一方面，pH值較高時，陰極上因受到OH離子的碰撞發(fā)生化學變化而產(chǎn)生H2 。2Al + 6H2O + 2OH 2Al(OH)4 + 3H2（4） 電極反應（1）和（2）產(chǎn)生的Al（aq)3+和OH-離子發(fā)生反應，形成各種單體物種， 圖1雷馬素紅RB133活性染料的分子結構像Al(OH)2+，Al(OH)2+，Al2(OH)4+和Al(OH)4；聚合物如Al6(OH)153+，Al7（OH）174+，Al8(OH)204+，Al13O4(OH)247+，Al13(OH)345+，根據(jù)復雜的沉降動力學最終形成Al(OH)3。不同產(chǎn)物的生成率

7、在脫色過程中發(fā)揮了重要的作用。染料分子和水解產(chǎn)物之間可能形成幾種互動機制，并且這些機制的反應速度與介質的pH值和離子的形態(tài)有關。近年來兩個主要的互動機制為：沉淀和吸附。每種機制都在一個獨立的pH范圍內起作用。在低pH值范圍內的絮凝被稱為為沉淀；而在較高的pH值范圍內（> 6.5）則被稱為吸附。沉淀：染料+單體鋁染料單體鋁 （固體）pH 4.0-5.0 （5）染料+聚合鋁染料聚合鋁 （固體）pH 5.0-6.0 （6）吸附：染料+ Al(OH)3 顆粒 （固體） （7）染料聚合鋁 （固體）+ Al(OH)3顆粒 （固體）（8）在pH值高于9時，Al(OH)4也存在在反應系統(tǒng)中。剛形成的無定

8、形Al(OH)3“卷絮體”的表面積大，這對可溶性有機物的快速吸附和對膠體粒子的網(wǎng)捕起到了很大的作用。這些絮凝聚合的過程如下：nAl(OH)3Aln(OH)3n （9）并且這些絮體很容易通過沉淀和用H2浮選而從水介質中去除。3 材料和方法3.1 材料在商業(yè)上可用的活性染料雷馬素紅RB133是從公司購得的，其分子結果如表1所示?；钚匀玖侠遵R素紅RB133的特點由德斯達公司提供，可見匯總表1。3.2實驗裝置實驗裝置見圖1，恒溫電絮凝裝置由有機玻璃做成，尺寸為：65×65×110mm。兩個陽極和兩個陰極都是由鋁板做成（(Al:99.53%)，尺寸為：46×55×

9、3 mm，連接到一個數(shù)字直流電源的單極電源，模式為（Topward 6306D，30V和6A）?？傆行щ姌O面積為78cm3，電極之間的間距為11mm。表1 雷馬素RB133的特征圖2 實驗裝置示意圖3.3 實驗過程所有的操作均在25下進行，并且在恒磁場中保持200rpm的攪拌速度。在每次操作中，將250cm3的染料溶液倒入電解槽中。將電流密度調整到所需的值（恒流模式），然后開始操作。在操作結束之后，將濾液在轉速為200rpm的條件下進行離心過濾。在每次操作前，都要將電極表面的有機雜質用丙酮洗滌除凈，而表面的氧化層則需放入用100ml的鹽酸和200ml的烏洛托平試劑混合配制的新鮮溶液中浸泡5mi

10、n除去。在操作結束時，電極表面要求用清水徹底洗凈，以去除表面可能存在的殘渣，然后進行干燥，重新稱重。3.4分析方法含有雷馬素紅RB133的染料溶液保存在蒸餾水中。pH值和電導率可以分別用NaOH或H2SO4和NaCl加以調節(jié)到一個合適的值。染料溶液可以用島津UV-160雙光束分光光度計加以分析。染料濃度可以通過由吸光度繪制的工作曲線對比已知濃度溶液的最大吸光度測得。（活性染料雷馬素紅RB133的最大吸光度為518nm）脫色率E的計算公式如下：（12）其中，Ci是初始染料濃度（mg/L）和Cf最終的染料濃度（mg/L）。4結果和討論初始pH值，電導率，攪拌，效果率，電流密度，處理時間，染料濃度通

11、過三個反應過程來考察：脫色率，脫色能力（每千克總溶解Al/染料去除千克數(shù)），以及電能消耗（千瓦小時/染料去除千克數(shù)）。4.1 初始PH值的作用pH值為3到11之間的對實驗的影響如下：根據(jù)電極反應（1）和(2）知道Al3+和OH離子在摩爾比為1:3時產(chǎn)生；同時，比例少于3，估計在2和2.5之間，pH值為5-6時，會產(chǎn)生沉淀聚合物種，；這意味著OH離子在此過程中會聚集在水相上，其濃度不僅由最初pH值決定，而且還由反應動力學和這個復雜水系統(tǒng)中的平衡反應決定。從圖3可以看到，隨著初始PH值從3增加到9，最后的濃度也相應的從8增加到近似到9，然后會因為Al(OH)3/Al(OH)4的緩沖能力而幾乎保持不

12、變，根據(jù)反應11可以得到，它們因不斷消耗OH 而pH值從較高降到9.4左右。 Al(OH)3 + OH Al(OH)4 （13）圖 3初始pH值：（a）對脫色效率的影響；（b）對電能消耗和脫色能力的影響（電導率，2000íS/cm；電流密度10mA/cm2；染料濃度250mg/L；攪拌速度200rpm；反應時間，10 min）。低的pH值阻礙Al(OH)3 絮體的形成反而促進羥基化合物的形成。正如圖3所示，當初始pH值較低時，可以產(chǎn)生較高的效率。例如，當pH值為3時，根據(jù)機制概述式（5）和（6），染料分子這時可以發(fā)生有效的沉淀；當PH值在5到9時，脫色效率維持在一個較高的水平，大于9

13、時，又跌落到一個較低水平。正如圖3b所顯示的那樣，脫色能力圖也與脫色效率圖顯現(xiàn)出相同的趨勢。從測量電極重量發(fā)現(xiàn)，初始pH值對溶解氧電極的總質量測定的影響可以忽略不計。這表明，染料的沉淀過程對脫色效率的高低具有決定性的的影響，并且Al(OH)3絮凝體產(chǎn)生的帶有吸附性的染料膠體聚合物對這一影響還具有輔助作用。此外，當pH值高于9時，根據(jù)反應式（9）可以看出，絮體的數(shù)量減少，此時，脫色效率和能力都下降。最后，從圖3b也可看到，去除染料所消耗的能量也是受初始pH值的影響；并且添加酸性或中性的介質有利于降低電能消耗。當pH值高于9時，和前面的原因相同，如果能量消耗突然增加，也會導致脫色效率的降低。4.2

14、電導率的影響 以NaCl作為支持性電解質考查電導率在250到4000µS/cm之間對反應結果影響。圖4 電導率對：（a）脫色效率的影響 ；（b）對能量消耗和脫色能力的影響（電流密度10mA/cm2；染料濃度，250mg/L；攪拌率，200rpm；初始pH值6；時間10min）。如圖4a所見，脫色效率隨著電導率的增加而穩(wěn)步下降。最終，介質的pH值和陽極溶解質量與電導率之間幾乎互不影響。因此，這些因素不會對電導率的升高或脫色效率的降低產(chǎn)生影響，但水介質中的電導率的改變卻可能引起離子強度變化。離子強度顯然對發(fā)生在電絮凝之間的化學反應動力學和相之間的平衡產(chǎn)生影響。另一方面，如圖4a所示，在電

15、導率在500µS/cm時，脫色能力出現(xiàn)一個弱峰值，然后穩(wěn)步下降。從圖4b可以看到，隨著電導率的增加，電池電壓和能耗也如所預期那樣降低。4.3轉速的影響 轉速在100到500 rpm 之間時對工藝性能的影響如下：圖5 攪拌速度對：（a）脫色效率的影響；（b）對能耗和脫色能力的影響（電流密度10mA/cm2；染料濃度250mg/L；電導率750µS/cm；初始pH值為6；時間10min）。如圖5a所示，脫色率在200rpm時具有最大值，然后平緩下降。出現(xiàn)最高值點這一現(xiàn)象可以用傳熱傳值來有力地解釋。然后Al(OH)3絮體的失穩(wěn)可能導致了在具有較高攪拌速度時致使脫色率仍然下降。通過

16、觀察，最終的pH值是不會受攪拌速度的影響，陰極和陽極的溶解質量會出現(xiàn)小幅增加。而且，如圖5a所示，脫色能力也會出現(xiàn)一個逆向的趨勢，略顯降低。另一方面，電池電壓和能量消耗隨著攪拌速度的增加也會出現(xiàn)小幅增加。4.4 電流密度和時間的影響電絮凝器的電流密度為2.5到25mA/cm2 之間時對工藝性能變化的影響如下：圖6電流密度對：（a）脫色效率的影響 ：（b）電能消耗和脫色容量的影響（染料濃度250mg/L；電導率，750µS/cm；初始pH值為6；時間10min）。如圖6a所示，脫色效率在電流密度15mA/cm2時迅速上升到92.50，之后電流幾乎不受電流密度變化的影響。同時也可以看到，

17、脫色能力與電流密度成反比。最終，pH值持續(xù)保持在9左右。因而，它不受電流密度的影響。陽極和陰極的電極溶解量與電流密度成線性關系。把線性回歸用在log(脫色率）和log（MT)之間，MT 是指鋁電極的總溶解量，通過以下關系式就可以得到一個高相關性系數(shù)（r2=9.5）：脫色率 MT0.70（13）脫色容量µMT0.63 （14）通過觀察也可得到，化學吸附劑也表現(xiàn)出同樣的線性關系。這些關系表明，一定量的溶解了的陽極電極參加了羥基化合物的形成。而且，絮凝體的質量與絮凝吸附能力也是線性相關的。從圖6b可以看出，像預期一樣，電壓是電流密度的線性函數(shù)。其中當電流密度增加10倍時，電能消耗會增加35

18、倍。圖7時間的影響：（a）對脫色效率的影響；（b）對電能消耗和脫色能力的影響（染料濃度250mg/L；電導率750µS/cm ；初始pH值6； 電流密度10 mA/cm2）。當把圖7中的a和b與圖6中的a和b部分分別比較下來發(fā)現(xiàn)反應時間長短對結果的影響可以得出以下結論：從圖7a可以看到隨著時間的推移，富余的絮凝體產(chǎn)生的同時 脫色能力也隨之下降。由于反應時間與電流密度所帶來的影響具有相似性，可以把這兩個參數(shù)合并在一起。即用F/m3來表示每立方米污水消耗的電量。為了檢驗這一設想的正確性，將脫色效率繪制成圖8這樣的參數(shù)函數(shù)。以時間和電流密度為參數(shù)，幾乎可以獲得同前面一樣的獨立的數(shù)據(jù)點。在l

19、og（效率）和log（F/m3 ）之間建立線性回歸方程，得到以下關系：圖8 負載裝置對脫色效率的影響（染料濃度250 mg/L；電導率，750µS/cm；初始pH值，6）脫色效率 （F/m3）0.30 （r2=0.994） (14 )4.5 染料濃度的影響 從圖8 可以看到，當染料濃度從100增加到1000mg/L時，脫色率從100下降到70%。這意味著，染料濃度對效率的影響起關鍵性的作用。而染料溶液的最終pH值和溶解的鋁陽極的質量幾乎不受染料濃度的影響。同時，從圖9可以看到，染料濃度與脫色能力的大小具有密切的關系。把log（脫色能力）和log（染料濃度）建立回歸方程（r2=0.98

20、6），可得到以下關系： 脫色能力 C00.16 (15)關系式（15）表示的是典型的化學混凝劑與 Freundlich型等溫吸附線圖。最終染料濃度的增加也會導致電池電壓的增加。從圖9b可以看出，當電流密度恒定時，即使電池電壓小幅增加，能量消耗的增加也會很明顯地表現(xiàn)出與染料濃度的反比關系。圖9 初始染料濃度對：（a）脫色效率的影響 ；（b） 能耗和脫色能力的影響（時間10 min ；電導率，750µS/cm；初始pH值為6 ；電流密度10 mA/cm2）。5.結論電絮凝是消除廢水或污水污染的一種有效操作過程。染料溶液的初始pH值和能耗的數(shù)量（F/m3）以及通過對可變成本項目的控制，如電

21、能和電極材料消耗這些過程變量的控制對提高脫色效率是具有有重要影響的。所以必須優(yōu)化工藝條件，獲得大批量能迅速沉淀染料分子的聚合物和和獲得一個最佳的Al（OH）3絮體量，以便有效地捕捉膠體沉淀物，使固液分離在浮選階段更容易完成。參考文獻1 Ahmed，M，N；Ram，R NRemoval of basic dye fromwastewater using silica as adsorbent J Environ. Pollution，1992，12（77）：79-852 Abo-Elela，S，I.； El-Gohary， F， A； Ali， H， L；Abdel-Wahaab，R，STrea

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