一种三维铁锰复合电极去除水中五价锑污染物的方法
阅读说明：本技术 一种三维铁锰复合电极去除水中五价锑污染物的方法 (Method for removing pentavalent antimony pollutants in water by using three-dimensional iron-manganese composite electrode ) 是由 周永潮 郑雯昕 张仪萍 张土乔 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及废水处理技术领域,具体涉及一种三维铁锰复合电极去除水中五价锑污染物的方法,包括如下步骤：将铁、锰颗粒混合作为阳极、铁板作为阴极制备电絮凝反应器,处理含五价锑污染物的废水。本发明利用三维铁锰复合电极强化电絮凝效果去除水中五价锑污染物的方法,该方法简化药品的投加环节,降低处理成本,且能有效的去除废水中的五价锑污染物。同时在反应后溶液中铁锰的含量也很低,无二次污染的危害,非常适合工业推广应用。(The invention relates to the technical field of wastewater treatment, in particular to a method for removing pentavalent antimony pollutants in water by using a three-dimensional ferro-manganese composite electrode, which comprises the following steps: iron and manganese particles are mixed to be used as an anode, and an iron plate is used as a cathode to prepare an electric flocculation reactor for treating the wastewater containing pentavalent antimony pollutants. The method for removing the pentavalent antimony pollutants in the water by using the three-dimensional iron-manganese composite electrode to strengthen the electrocoagulation effect simplifies the adding link of the medicament, reduces the treatment cost and can effectively remove the pentavalent antimony pollutants in the wastewater. Meanwhile, the content of iron and manganese in the solution after the reaction is very low, no secondary pollution is caused, and the method is very suitable for industrial popularization and application.)
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种三维铁锰复合电极去除水中五价锑污染物的方法。
背景技术
近年来，印染行业重金属锑问题成为污染防治中面临的新挑战。作为纺织行业原材料聚酯纤维(即涤纶工业丝)生产过程中常用的催化剂，锑化合物常残留在涤纶织物面料中，并在后续工序中大量释放。研究证明，锑及其化合物对生物体具有慢、急性毒害和致癌性，已被各国列入优先控制污染物范畴。目前，去除水中锑污染物等常用方法有化学沉淀法、吸附法、离子交换法等。与三价锑相比，五价锑电负性大，溶解度高，更加难以去除。
电絮凝技术是近来水处理研究领域的热点，电絮凝技术是指在外加电场的作用下，电极发生电化学反应。金属阳极产生具有絮凝特性的阳离子，并且在溶液中水解、聚合形成一系列氢氧化物或多核羟基络合物，通过吸附、共沉淀与气浮作用去除锑污染物，目前常用的电极材料有铁、铝两种，多为板状或棒状。
一些学者关注了电极组合方式对絮体结构的影响。结果表明，铝铁电极联用能提高去除效率，且电絮凝产物具有更好的结晶态。有研究者在含锑废水中投加硫酸锰或氯化锰溶液，获得了较好的除锑效果。但是额外加药增加了操作难度，提高了去除成本。
CN 106746058 A公开了一种去除废水中五价锑的方法，其中结合电化学法处理的优点，利用工作电极现将五价锑还原成三价，甚至部分还原成零价锑，再利用混凝法采用氯化高铁作为絮凝剂进一步去除废水中含锑化合物。
同样CN 104724797 A公开了一种锰离子强化电化学去除水中五价锑污染物的方法，利用阳离子溶解方法产生亚铁和铁离子，与外加的锰离子组合，有效还原五价锑污染物，同时生成二氧化锰可强化电絮凝作用，从而使水中锑污染物有效去除。
但这样的方法一方面效果会受到五价锑还原程度的影响，另一方面添加絮凝剂也会增加成本。
发明内容
本发明针对现有技术中对废水中五价锑污染物去除方法存在效果不理想，需要投加絮凝剂，成本较高，提供一种利用三维铁锰复合电极强化电絮凝效果去除水中五价锑污染物的方法，该方法简化药品的投加环节，降低处理成本，且能有效的去除废水中的五价锑污染物。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种三维铁锰复合电极去除水中五价锑污染物的方法，包括如下步骤：
将铁、锰颗粒混合作为阳极、铁板为阴极作为制备电絮凝反应器，处理含五价锑污染物的废水。
本发明的出发原理在于：利用铁、锰颗粒制备的铁锰复合电极在通电条件下，产生具有两性表面羟基的三维铁锰双氢氧化物絮体，其具有比表面积大，吸附容量大等优势，可以有效吸附锑污染物。同时，与传统的电极形态相比，三维多孔介质电极可以使电极材料与水流有更大的接触面积，提高电絮凝产物产量。提升絮体有效碰撞的频率，增大絮凝体粒径，增强电絮凝作用，从而有效的去除水中锑污染物，同时产生的絮体易于气浮，能够有利于高效固液分离，提高锑污染物的去除效率。
发明人在研究中发现本发明中铁、锰颗粒混合的阳极，能够具有强有力的吸附效果，方便产生絮体的收集和去除。
其中铁、锰颗粒的体积比为7:3～19:1，优选地，铁、锰颗粒的体积比为7:3～5:1，其中最优选地，铁锰体积比为8：2时，絮凝体比表面积最大，去除效率最高。
优选地，铁、锰颗粒的粒径均为20～50cm。
所述电絮凝反应器处理废水时，施加的电流为0.20～0.35A。低于0.20A将导致去除不充分，电流过高将会引起不必要的能耗损失。
所述电絮凝反应器处理废水时，水力停留时间为30min以上，低于30min将导致去除不充分。
优选地，所述电絮凝反应器处理废水时，水力停留时间为60～90min，去除时间过长，电解时间过长，将产生过多金属离子，造成二次污染。
所述阳极和阴极的间距为0.5～2cm，优选1cm。
当待处理含锑污染物废水体积为2L时，阳极的体积至少为260mL。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法无需投加任何絮凝剂，含锑污染物的去除成本降低，在处理过程中无需将五价锑还原成三价锑污染物，处理效果不受还原程度的影响；该方法中絮体易于气浮，具有高效固液分离特征。且通过铁锰复合电极的作用一方面可以有效提高五价锑等污染物的去除效率，同时在反应后溶液中铁锰的含量也很低，无二次污染的危害，非常适合工业推广应用。
附图说明
图1为实施例1与对比例1中锑污染物去除率随时间变化图。
图2为实施例1中铁锰复合双氢氧化物絮体和对比例1中铁絮体的SEM扫描电镜图；其中(a)为铁锰复合双氢氧化物絮体；(b)为铁絮体呈颗粒状。
图3为实施例2中不同电电流密度下锑污染物去除率随时间变化图。
图4为实施例3中不同铁锰比例下锑污染物去除率随时间变化图。
图5为实施例4中不同铁锰比例下锑污染物去除率随时间变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。
实施例1
在电化学反应器中，将铁、锰颗粒混合作为阳极、铁板作为阴极。采用直流电源进行供电，电流密度为0.35A，铁锰体积比8：2，阳极体积与待处理水体积比为260ml/2L，极板间距为1cm。配制含锑废水，其中五价锑浓度为1mg/L，调节水的pH值至6.5，将待处理的水泵入电化学反应器中，接通电源，开始反应。处理时间为60分钟时，锑去除率达到95.19％，处理时间为90分钟时，锑去除率达到98.74％。
对比例1
采用铁颗粒制备三维铁电极，作为阳极替换实施例1中铁锰复合电极，其他条件与实施例1相同，测试废水中五价锑污染物的处理效果。处理时间为60分钟时，锑去除率达到81.8％，处理时间为90分钟时，锑去除率达到94.45％。
实施例1和对比例1对锑污染物的去除效果比较如图1所示。
将实施例1制备的铁锰复合双氢氧化物絮体和对比例1制备的铁絮体进行微观观察，其SEM扫描结果如图2所示，其中(a)为铁锰复合双氢氧化物絮体，其结构呈六边形片状，比表面积更大，具有更多的表面活性吸附点；而(b)中铁絮体呈颗粒状，堆积精密，比表面积较小，这也是造成两者去除锑污染物效果差异的主要原因。而实验过程中发现反应时间相同时，使用铁锰电极，观察到反应器中溶液较为澄清，表面的浮渣层明显较厚，说明气浮效果好，分离能力强。
实施例2
在电化学反应器中，将铁、锰颗粒混合作为阳极、铁板作为阴极。采用直流电源进行供电，实验设四个对照组，电流密度分别为0.20A、0.25A、0.30A、0.35A，阳极体积与待处理水体积比为260ml/2L，极板间距为1cm。配制含锑废水，其中五价锑浓度为1mg/L，调节水的pH值至6.5，将待处理的水泵入电化学反应器中，接通电源，开始反应。结果如图3所示，处理时间为60分钟时，电流密度0.20A下锑去除率最低，为76.24％，电流密度0.35A下锑去除率最高，为95.19％；处理时间为90分钟时，电流密度0.20A下锑去除率最低，为80.98％，电流密度0.35A下锑去除率最高，为98.74％。可见电流密度过小锑污染物的去除效率会较低，但电流密度过大也将导致锑污染物去除效果不够理想。
实施例3
在电化学反应器中，将铁、锰颗粒混合作为阳极、铁板作为阴极。采用直流电源进行供电，实验设四个对照组，铁锰体积比分别为7：3；8：2；9：1；19：1，阳极体积与待处理水体积比为260ml/2L，电流密度为0.35A，极板间距为1cm。配制含锑废水，其中五价锑浓度为1mg/L，调节水的pH值至6.5，将待处理的水泵入电化学反应器中，接通电源，开始反应。结果如图4所示，处理时间为60分钟时，当铁锰体积比为7:3时，锑去除率最低，为90.03％，铁锰体积比为8:2时锑去除率最高，为95.19％，处理时间为90分钟时，铁锰体积比为19:1时锑去除率最低，为96.76％，铁锰体积比为8:2时锑去除率最高，为98.74％。综合来看当铁的含量逐渐增加，锑污染物的去除效率呈现先增大后降低的情况，因此两者比例控制在最佳的范围内，才能获得最好的锑污染物处理效果。
实施例4
为了验证铁锰絮体的吸附效果强于铁絮体，在实施例3的不同铁锰比例下，反应结束后，离心收集絮体，进行再吸附实验。在100ml Sb(V)初始浓度为1mg/L，ph＝6.5的废水中加入1g絮体，使用转速为500r/min的磁力搅拌器搅拌，使絮体在烧杯中分散均匀，去除率随时间的变化如图5所示。其中可以明显看出铁锰混合的体系，其中锑污染物的效率远高于铁体系，具体数据也如表1所示，吸附1h后，铁锰絮体的去除率均大于60％，铁絮体去除率仅20.87％。
表1不同铁锰比例下锑污染物去除率
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