活性炭吸附礦井水中的硫酸鹽

　　礦井水是天然水和工業(yè)廢水中硫酸鹽污染的源頭。硫酸根離子的去除是采礦，冶金和其他行業(yè)的主要挑戰(zhàn)之一。硫酸鹽的存在在礦井水中一般是硫化物元素硫或含硫礦物導(dǎo)致的。如果這類(lèi)水進(jìn)入輸水系統(tǒng)，會(huì)腐蝕鍋爐和熱交換器中的金屬零件。有幾種去除硫酸鹽的技術(shù)，包括化學(xué)沉淀法，生物降解，離子交換，電化學(xué)方法和吸附方法。這些方法中的某些方法是有限的，因?yàn)橛捎诹蛩猁}在水溶液中的高溶解度和穩(wěn)定性，硫酸鹽的去除是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。嘗試通過(guò)電凝加活性炭吸附耦合工藝用于去除礦井水中的硫酸根離子。與單獨(dú)的常規(guī)電凝相比，結(jié)合了顆粒活性炭吸附的電凝系統(tǒng)效率更高，分離速度更快。

　　活性炭吸附硫酸鹽測(cè)試裝置

　　目前尚不知道電凝是否可以與活性炭吸附結(jié)合使用，作為從礦井廢水中去除硫酸鹽的可行新技術(shù)。所以我們來(lái)測(cè)試一下如圖1所示，使用有機(jī)玻璃反應(yīng)器在720mL電凝電池(12×10×6cm)中進(jìn)行活性炭吸附過(guò)程。鋁(純度≥99%)用作犧牲電極，不銹鋼用作陰極。每個(gè)電極板的有效面積為20cm2。平行的陽(yáng)極和陰極垂直放置，并隔開(kāi)一定距離。電極連接到數(shù)字直流電源，電壓和電流范圍分別為0-50V和0-5A。每次運(yùn)行前，電極用細(xì)砂紙磨擦，先后用0.2M HCl和蒸餾水洗滌。對(duì)于每個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，將600mL礦井水放入電凝反應(yīng)器中。使用磁力攪拌器不斷地(200rpm)攪拌溶液。將電流密度，電極間隙，初始pH和反應(yīng)時(shí)間設(shè)置為期望值。通過(guò)添加0.1M HCl或0.1M NaOH來(lái)調(diào)節(jié)pH，并使用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量。所有運(yùn)行均在室溫(20°C)下進(jìn)行。

　　圖1：活性炭測(cè)試中的電凝設(shè)備。

　　吸附硫酸鹽時(shí)電流密度的影響

　　電流密度是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它不僅影響凝結(jié)劑的用量，還影響氣泡的形成速率，氣泡的大小和絮凝物的生長(zhǎng)。各種選定的電流密度：0、10、20、30、40、50、60、70、80、90和100mA/cm2在批量實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了，以建立電凝與活性炭耦合過(guò)程的有利電流密度范圍。在30分鐘的反應(yīng)時(shí)間下使用鋁不銹鋼陽(yáng)極/陰極電極對(duì)進(jìn)行連續(xù)電凝工藝，并使用反應(yīng)器中的活性炭濃度為0.2g/L來(lái)研究電流密度對(duì)硫酸鹽的影響去除效率。與活性炭吸附工藝相比，電凝加活性炭即使在低電流密度(10mA/cm2)時(shí)也可以顯著提高去除效率。如圖2所示，活性炭吸附過(guò)程和電凝活性炭吸附偶聯(lián)過(guò)程的去除效率在5分鐘時(shí)分別為2.7%和6.3%，在30分鐘時(shí)分別為17.5和54.2%。由于偶合體系中的反應(yīng)比簡(jiǎn)單的活性炭吸附過(guò)程更復(fù)雜，因此去除效率有所提高。電凝結(jié)合活性炭吸附對(duì)硫酸鹽去除效率有重要影響。結(jié)果表明，去除效率隨著電流密度的增加而顯著提高。電流密度為70mA/cm2時(shí)，去除效率最高(88.9%)。這種現(xiàn)象可以歸因于這樣的事實(shí)，即在高電流密度下，氧化金屬的數(shù)量增加，從而導(dǎo)致大量的Al(OH)3(s)顆粒有利于去除污染物。

　　圖2：電流密度對(duì)硫酸鹽去除效率的影響。

　　在經(jīng)過(guò)多種類(lèi)型的測(cè)試后，采用電凝結(jié)合活性炭吸附耦合工藝通過(guò)分批實(shí)驗(yàn)從礦井水中去除硫酸鹽。與傳統(tǒng)的電凝工藝(24.3%)相比，添加活性炭作為吸附劑的去除效率更高(51.7%)，尤其是在較短的反應(yīng)時(shí)間(10分鐘)內(nèi)。該耦合系統(tǒng)的成功與吸附劑的特定特性有關(guān)。在此優(yōu)化研究中成功采用了基于三變量(即電流密度，活性炭劑量和反應(yīng)時(shí)間)，五級(jí)中央復(fù)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的響應(yīng)面方法。發(fā)現(xiàn)在合適參數(shù)下，最大去除效率為95.2%：電流密度為75mA/cm2，活性炭劑量為0.46g/L，反應(yīng)時(shí)間為19.2分鐘。響應(yīng)面方法預(yù)測(cè)值(94.08)在一定程度上與測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但略有偏差。結(jié)果表明，使用電凝結(jié)合活性炭技術(shù)可以很好地從水溶液中去除硫酸鹽。研究結(jié)果也為解決礦山廢水工業(yè)問(wèn)題提供了理論依據(jù)。

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