鐘登杰

(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，重慶400054)

在金屬加工過程中經(jīng)常會(huì)用到切削液，其主要作用是降低摩擦、潤滑表面、冷卻、帶走刨花等。切削液主要含有油、水、表面活性劑和各種添加劑(防泡劑、殺菌劑和防銹劑)。切削液在使用過程中由于熱降解和加工過程中所產(chǎn)生的微粒增多而失去潤滑和冷卻作用，所以需要替換，從而會(huì)產(chǎn)生大量的廢液。這些廢液如果不經(jīng)處理直接排放，其所含的重金屬和熱降解所產(chǎn)生的有害物質(zhì)將對土壤和水體造成污染。處理切削液廢水的傳統(tǒng)方法主要有蒸發(fā)［1］、冷凍［2］、膜過濾［3－6］和吸附等，但這些方法只是將有害物質(zhì)從廢水中分離出來，有害物質(zhì)并沒有被降解成無害物質(zhì)。另外，切削液廢水具有毒性，所以很難用生物法去處理［7－10］。水熱氧化法能有效地處理切削液廢水［11－12］，但該法所需條件苛刻，難以滿足。

電化學(xué)方法是一種“綠色高級氧化”廢水處理技術(shù)，具有經(jīng)濟(jì)、高效、所需空間小等優(yōu)點(diǎn)。電化學(xué)方法已被成功應(yīng)用于各種廢水處理中，如染料廢水［13－15］、壬基酚廢水［16］、含酚廢水［17］、含氰廢水［18－19］、制革廢水［19］和橄欖油廢水處理［20－21］。

為了提高電化學(xué)反應(yīng)的效率、降低副反應(yīng)的發(fā)生，近年來研究者們發(fā)現(xiàn)了新的電極材料［22－25］和反應(yīng)器［26］。對于電化學(xué)反應(yīng)而言，傳質(zhì)速率和溶解氧濃度都是重要的影響因素，會(huì)限制整個(gè)反應(yīng)速率。本文設(shè)計(jì)了一種新型電化學(xué)反應(yīng)裝置，并用于處理切削液廢水。陽極和陰極交替均勻地分布在一個(gè)圓盤上，用導(dǎo)線分別連接。通過轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，電極表面靜止液膜的厚度減少，這在很大程度上會(huì)提高傳質(zhì)速率。同時(shí)，轉(zhuǎn)盤有一半暴露在空氣中，另一半在溶液中，這樣隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以加速氧氣從空氣中溶解到主體溶液中，加速氧化［27］。在陰陽極之間分布活性炭顆粒。處理廢水時(shí)，活性炭顆粒在電場作用下產(chǎn)生極化，生成很多微小電池。這樣就可以加大反應(yīng)器的有效電極面積，縮短有機(jī)物的遷移距離。

1 材料和方法

從某機(jī)械廠所取的切削液廢水的主要成分為:COD 14 356 mg/L，含油量4 326 mg/L，pH值為7.75。COD采用重鉻酸鉀氧化法測定，含油量采用420 oil IR紅外分析儀測定，pH值采用PHS－3B酸度計(jì)測定。

電化學(xué)反應(yīng)裝置如圖1所示，主要包括1個(gè)弧形電解槽、電化學(xué)轉(zhuǎn)盤和直流電源。電化學(xué)轉(zhuǎn)盤是一個(gè)直徑為18 cm，厚度為3.6 mm的有機(jī)玻璃盤。陰極為6 cm長、1.2 cm寬、2.1 cm厚的鐵片。陽極為6 cm長、1.2 cm寬、2.7 cm厚的石墨片。顆粒活性炭(平均粒度為1.0 mm)分布在陰陽極之間，陽極和陰極通過導(dǎo)線分別與電源的正負(fù)極相連。通過調(diào)速器來控制轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。圖2是一個(gè)傳統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)器，電極材料和面積均與電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法相同，采用磁力攪拌。

每次實(shí)驗(yàn)所用水樣為400 mL。顆粒活性炭在使用之前先用切削液廢水浸泡，達(dá)到飽和。電解電壓控制在10 V。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速的影響

在電壓為10 V的條件下，將轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速分別控制在0，30，60和90 r/min。從圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，切削液廢水中油的去除率得到提高。這是由于電化學(xué)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)能加快主體溶液和電極表面之間的傳質(zhì)。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過60 r/min后，油的去除率相對穩(wěn)定，提高電化學(xué)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速不再能大幅度提高廢水中油的去除率。

圖3 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對廢水中油去除的影響

2.2 電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法和傳統(tǒng)電解法去除油含量的比較

從圖4可以看出，在去除切削液廢水中的油量方面，電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電解法。

圖4 電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法與傳統(tǒng)電解法在油含量去除效果方面的比較

2.3 COD去除率

從圖5可以看出，切削液廢水COD去除率隨反應(yīng)時(shí)間的延長而上升。在反應(yīng)的前90 min內(nèi)，COD去除率上升很快。反應(yīng)90 min后，COD去除率上升不明顯。經(jīng)過90 min電解，切削液廢水中的COD去除率能達(dá)到83.7%，但切削液廢水剩余的COD還有約2 000 mg/L，所以，電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法可以作為切削液廢水的預(yù)處理方法。

圖5 電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法去除廢水中的COD

2.4 降解機(jī)理初步研究

電化學(xué)方法總是有自由基參與反應(yīng)［14，29－30］。自由基反應(yīng)是有機(jī)物氧化的關(guān)鍵［29］。電化學(xué)反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的自由基一旦生成，就立即無選擇性地與反應(yīng)介質(zhì)中的有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)的初步機(jī)理為:有機(jī)物分子吸附到電極表面→電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的自由基將有機(jī)物分子氧化→有機(jī)物分子降解成有機(jī)小分子、最后降解成無害的無機(jī)小分子(如CO2和H2O)。

3 結(jié)論

1)電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法是一種新電化學(xué)方法，陽極和陰極交替分布，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)可以加強(qiáng)傳質(zhì)、加快空氣中的氧氣溶解于主體溶液，有利于有機(jī)物的降解。

2)電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法能有效地去除切削液廢水中的油量和COD。當(dāng)轉(zhuǎn)速為60 r/min，電壓為10 V，pH值為7.75時(shí)，電解120 min，油和COD去除效率能分別達(dá)到94.9%和83.7%。與傳統(tǒng)的電解法相比，電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法在去除切削液廢水的含油量方面具有優(yōu)勢。

3)由于切削液廢水的初始COD太高，COD去除率達(dá)到83.7%，其剩余的COD還有2 000 mg/L，所以電化學(xué)轉(zhuǎn)盤法用于切削液廢水的預(yù)處理。

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