利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的方法及其裝置製造方法
2023-09-17 12:41:35
利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的方法及其裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及環境汙水處理領域，特別涉及一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的方法及其裝置。本發明將等離子體技術應用於含有As(III)、As(V)、Fe(III)、Fe(II)離子的冶金、採礦等廢水的處理體系，利用輝光放電體系將As(III)轉化為毒性更小的As(V)，將溶液中的Fe(II)氧化為Fe(III)，同時在輝光放電等離子體體系中在合適的pH以及較優的鐵砷摩爾比的範圍內可以快速生成砷酸鐵的難容性非晶化合物沉澱，實現高效的砷的去除。
【專利說明】利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的方法及其裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及環境汙水處理領域，特別涉及一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的方法及其裝置。
【背景技術】
[0002]砷(As)是一種在地殼中廣泛分布的元素，並被公認為一種有毒的致癌物質。As的化合物有三價和五價兩種形態，As (III)的毒性和流動性更大。研究表明，以AsO廣存在的As(III)比以麼8043_存在的4^)的毒性要高出60倍。砷化物在採礦、冶煉、玻璃製造、農藥和木材防腐劑等生產領域得到廣泛應用的同時，致使相當數量的砷化合物進入環境，並通過化學過程和生物轉化效應以不同形態存在於水體、土壤、植物、動物、海洋生物和人體內，並且在各砷化物之間形成循環。
[0003]根據世界衛生組織的研究，只要在飲用水中出現少量的As，就足以對人體的健康發生危害。長期飲用含As的水，將可能導致皮膚色素沉積、皮膚角質化、皮膚癌、膀胱癌、高血壓、心腦血管病、神經病變、糖尿病等一系列健康問題。鑑於As對人體健康的巨大危害以及As汙染的日趨嚴重，1993年，WHO率先將飲用水中As的指標值由50 μ m/L降至ΙΟμπι/L。隨後，日本、歐盟、美國也分別將各自的飲用水As標準定為lOyg/L。我國目前使用的《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)要求飲用水中As的最大濃度必須低於10μ g/L。因此對於含有高濃度砷工業廢水的處理是十分緊迫的。
[0004]目前，混凝 除As法中鋁、鐵基絮凝劑被廣泛應用，該方法主要是利用混凝劑強大的吸附作用吸附砷，然後通過過濾或用濾膜除去水中的砷。實驗結果表明，鐵鹽對砷的去除效率明顯高於鋁鹽。鐵鹽是最經濟、最有效的沉澱劑。但是As(III)毒性較大且難以被絮凝實現完全的去除。而As(V)的毒性相對較小，並且易被吸附，得以高效去除。因此應用絮凝技術除砷之前需要對As(III)進行預氧化，即把AS(III)先氧化成As (V)，然後再進行去除。常用的氧化劑主要有漂白粉、雙氧水、氯氣、臭氧和二氧化錳等。但該方法需要投加大量的絮凝劑，產生大量的含砷廢渣也會造成二次汙染，因此使該方法的應用受到限制。
[0005]因此針對已有的關於三價砷處理技術的缺陷，急需開發出一種綠色、高效的三價砷處理技術。一步法實現三價砷的快速氧化、將砷從廢液中的脫除，並且減少最終產生含砷廢渣的的量。臭蔥石是一種砷酸鐵晶體，其溶解度小、性質穩定、含砷量可高達30%。因此對於大濃度的含砷廢水，可將砷轉化為砷酸鐵晶體，達到固砷的目的。常用的方法是在溫度高於150° C水熱法或者在大氣氛圍下95 ° C條件下控制中和法，但是這些方法成本較高，所需時間較長不利於大規模應用。
[0006]直流輝光放電等離子體水處理技術是一種新型的高級氧化技術，主要原理是在直流高壓的作用下在高壓針電極周圍的氣體將被擊碎成正離子和電子，這些粒子在高電壓的作用下加速獲得高能量，從而與其它物質發生碰撞，從而產生新的電子、離子以及自由基、化學物質等。目前，該種技術已經廣泛的被應用於廢水中有機汙染物的處理，利用產生的羥基自由基和過氧化氫等物質實現對有機物的最終去除。但是該種技術應用於含有有毒無機離子的處理研究還未得到大家全面關注。
【發明內容】
[0007]本發明針對現有技術中的不足，提供一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的方法及其裝置。
[0008]本發明將等離子體技術應用於含有As (III) ,As (V)、Fe (III)、Fe (II)離子的冶金、採礦等廢水的處理體系，利用輝光放電體系將As (III)轉化為毒性更小的As (V)，將溶液中的Fe(II)氧化為Fe(III)，同時在輝光放電等離子體體系中產生砷酸鐵化合物沉澱，實現原位沉澱去除砷。
[0009]本發明的技術方案是:
一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，包括以下步驟:
(1)將待處理的含有As(III)廢水溶液調節pH值和電導率值，調節廢水溶液中Fe (II)的濃度，導入到電極輝光放電水處理裝置；
(2)在大氣氛圍下進行輝光放電，接通直流電源進行放電處理；放電處理後溶液中As(III)氧化為As (V)，同時Fe (II)轉化為Fe(III)，As(V)與Fe(III)產生砷酸鐵共沉澱，實現對砷的固定脫除。
[0010]在以上方案的基礎上，所述步驟(1)中將含有As (III)廢水溶液pH值調節為3-6，電導率調整到0.5-6 mS/cm。
[0011]在以上方案的基礎上，所述步驟(1)中將含有As (III)廢水溶液pH值調節為6，電導率調整到3 mS/cm。
[0012]在以上方案的基礎上，所述步驟(1)中調節廢水溶液中Fe(II)/ As(III)摩爾比為 2-4。
[0013]在以上方案的基礎上，所述步驟(2)中的直流電源的電壓為480-1000V，電流為80_500mAo
[0014]在以上方案的基礎上，所述的步驟(2)中放電處理過程中進行攪拌，攪拌速率為2-3 轉 /s。
[0015]本發明還公開了一種上述方法中採用的電極輝光放電水處理裝置，包括碳棒陰極、不鏽鋼陽極、玻璃反應器、玻璃管，所述碳棒陰極和玻璃管分別設置在所述的玻璃反應器上蓋上；所述玻璃反應器外圍設置冷肼夾層，所述冷肼夾層上設置冷卻入水口和冷卻出水口 ；所述玻璃管的底部用石英砂芯密封，所述不鏽鋼陽極置於所述的玻璃管內。
[0016]在以上方案的基礎上，所述的不鏽鋼陽極的數量為1-6根。
[0017]在以上方案的基礎上，所述的玻璃反應器內設置攪拌磁子。
[0018]本發明的有益效果是:
接觸輝光放電過程中可以產生大量的羥基自由基和過氧化氫等物質，同時產生寬波長的紫外光。其中生成的羥基自由基等活性物質可有效的將As(III)氧化為As(V)。同時產生的過氧化氫由於有鐵離子的存在發生芬頓反應，能夠促進羥基自由基的生成，強化As(III)的氧化。因此能夠實現As (III)的快速氧化，同時在羥基自由基和過氧化氫的作用下Fe(II)可轉化為Fe(III)。在合適的pH以及較優的鐵砷摩爾比的範圍內可以快速生成砷酸鐵的難容性非晶化合物沉澱，實現高效的砷的去除。【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]附圖1為本發明的電極輝光放電裝置的結構示意圖；
附圖2為本發明的電極輝光放電裝置的俯視圖；
附圖3為不同pH值條件下總砷的去除效率；
附圖4為不同pH值條件下五價砷的生成效率。
【具體實施方式】
[0020]本發明的【具體實施方式】如下:
實施例1: 一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，包括以下步驟:
(1)將待處理的含有As(III)廢水溶液調節pH值為3和電導率值6 mS/cm，調節廢水溶液中Fe (II)的濃度，使廢水溶液中Fe (II)/ As(III)摩爾比為2，導入到電極輝光放電水處理裝置；
(2)所述的輝光放電反應器如圖1所示，應用4根針電極為不鏽鋼陽極，陰極為碳棒電極，並通過底部密封砂芯的玻璃管與溶液相隔離，在放電時每根針電極與液面相接觸，正常工作直流電壓為480V，電流為80mA，放電在大氣氛圍下，攪拌速率為2轉/s ;放電處理後溶液中As (III)氧化為As (V)，同時Fe (II)轉化為Fe (III)，As(V)與Fe (III)產生砷酸鐵共沉澱，實現對砷的固定脫除。
[0021]實施例2:
一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，包括以下步驟:
(1)將待處理的含有As(III)廢水溶液調節pH值為6和電導率值I mS/cm，調節廢水溶液中Fe (II)的濃度，使廢水溶液中Fe (II)/ As(III)摩爾比為4，導入到電極輝光放電水處理裝置；
(2)所述的輝光放電反應器應用2根針電極為不鏽鋼陽極，陰極為碳棒電極，並通過底部密封砂芯的玻璃管與溶液相隔離，在放電時每根針電極與液面相接觸，正常工作直流電壓為1000V，電流為500mA，放電在大氣氛圍下，攪拌速率為2轉/s ;放電處理後溶液中As(III)氧化為As (V)，同時Fe (II)轉化為Fe(III)，As(V)與Fe(III)產生砷酸鐵共沉澱，實現對砷的固定脫除。
[0022]實施例3:
如圖1和圖2所示，一種電極輝光放電水處理裝置，包括碳棒陰極(I)、不鏽鋼陽極
(2)、玻璃反應器(3)、玻璃管(4)，所述碳棒陰極(I)和玻璃管(4)分別設置在所述的玻璃反應器(3)上蓋上；所述玻璃反應器(3)外圍設置冷肼夾層(6)，所述冷肼夾層(6)上分別設置冷卻入水口(7)和冷卻出水口(8);所述玻璃管(4)的底部用石英砂芯密封，所述不鏽鋼陽極(2)置於所述的玻璃管(4)內。
[0023]調配待處理溶液:As(III)濃度為0.8mM、Fe(II)濃度為1.6mM的混合溶液250mL,利用硫酸鈉將溶液電導率調整至3.0mS/cm左右，並用硫酸將pH值調至3，4，5，6四種溶液，分別注入輝光放電反應器中，在電壓約為570V，電流100mA，採用一根針電極的條件下放電處理10分鐘，攪拌速率為3轉/S。[0024]如圖3所示，在處理過程中廢水溶液中的總砷含量不斷的減少，同時溶液中伴隨著白色沉澱生成，在PH為6時去除效果最佳。
[0025]如圖4所示，在放電處理前一分鐘內，廢水溶液中不斷有五價砷的生成，接著由於五價砷開始向砷酸鐵的沉澱轉化，五價砷的量不斷減少。放電後經一段時間靜置，溶液底部有白色沉澱生成，即為砷酸鐵非晶固體。
[0026]由此可見，利用輝光放電處理含有As(III)的廢水時，通過調節Fe (II)的含量，可快速的實現砷的 氧化和固定脫除。
【權利要求】
1.一種利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)將待處理的含有As(III)廢水溶液調節pH值和電導率值，調節廢水溶液中Fe (II)的濃度，導入到電極輝光放電水處理裝置； (2)在大氣氛圍下進行輝光放電，接通直流電源進行放電處理；放電處理後溶液中As(III)氧化為As (V)，同時Fe (II)轉化為Fe (III)，As(V)與Fe (III)產生砷酸鐵共沉澱，實現對砷的固定脫除。
2.根據權利要求1所述的利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，其特徵在於，所述步驟(1)中將含有As (III)廢水溶液pH值調節為3-6，電導率調整到0.5-6mS/cm。
3.根據權利要求2所述的利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，其特徵在於，所述步驟(1)中將含有As (III)廢水溶液pH值調節為6，電導率調整到3 mS/cm。
4.根據權利要求1所述的利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，其特徵在於，所述步驟(1)中調節廢水溶液中Fe(II)/ As(III)摩爾比為2_4。
5.根據權利要求1所述的利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，其特徵在於，所述的步驟(2)中放電處理過程中進行攪拌，攪拌速率為2-3轉/S。
6.根據權利要求1-5任一項所述的利用輝光放電高效快速氧化固定廢水中砷的處理方法，其特徵在於，所述步驟(2)中的直流電源的電壓為480-1000V，電流為80-500mA。
7.一種根據權利要求1中所述的電極輝光放電水處理裝置，其特徵在於:包括碳棒陰極(I)、不鏽鋼陽極(2)、玻璃反應器(3)、玻璃管(4)，所述碳棒陰極(I)和玻璃管(4)分別設置在所述的玻璃反應器(3)上蓋`上；所述玻璃反應器(3)外圍設置冷肼夾層(6)，所述冷肼夾層(6)上分別設置冷卻入水口(7)和冷卻出水口(8);所述玻璃管(4)的底部用石英砂芯密封，所述不鏽鋼陽極(2 )置於所述的玻璃管(4 )內。
8.根據權利要求5所述的電極輝光放電水處理裝置，其特徵在於所述的不鏽鋼陽極(2)的數量為1-6根。
9.根據權利要求5所述的電極輝光放電水處理裝置，其特徵在於所述的玻璃反應器(3)內設置攪拌磁子(9)。
【文檔編號】C02F1/467GK103864185SQ201410057180
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月20日 優先權日:2014年2月20日
【發明者】鄭經堂, 江波, 郭建波, 譚明慧, 吳明鉑, 吳文婷, 薛慶忠, 胡平 申請人:中國石油大學(華東)