电化学处理含聚污水过程中电极及反应器的研究

• 作 者: 张思韬
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: HPAM 电絮凝 响应曲面法 电氧化 工艺

近年来,随着石油需求的越来越大,油田采油进入到了三次采油阶段,三次采油过程中产生的含聚丙烯酰胺（HPAM）污水量逐渐增大,如何行之有效地处理该污水已成为各大油田面临的难题。HPAM是一种高分子化合物,常规的生化方法难以有效降解。电化学技术作为一种用于污水处理的高级氧化技术,可以有效降解污水中的污染物并提高污水的可生化性,已经广泛应用于处理各种难降解的工业废水。目前,我国采用电化学工艺处理含HPAM油田污水的研究较少,在HPAM降解效率和机理研究方面更少。因此,本课题探究了不同阳极材料对含聚污水的降解性能和机理,分别采用以铁电极为代表的电絮凝工艺和以Ti/SnO₂-Sb₂O₃/β-PbO₂为代表的电催化氧化工艺对HPAM进行降解实验研究。采用铁板作为阳极、不锈钢板作为阴极,选择反应时间、电压、电流密度、电极间距、初始pH、反应温度等进行了单因素实验。在单因素的基础上筛选出三个主要因素:反应时间、电压和初始pH,再利用响应曲面法对该三个因素进行优化实验。通过响应曲面法模拟获得的最佳工艺参数为:电压7.6 V、反应时间10.5 min、初始pH=5,在此条件下进行的三组平行验证性实验,对初始浓度为200 mg·L^-1HPAM溶液平均去除率为98.4%,落在HPAM去除率优化结果的95%置信区间内,表明响应曲面法对于铁电极去除HPAM的优化结果具有可靠性。红外光谱分析沉淀中的HPAM含量分析表明,铁电极主要以絮凝的方式去除HPAM。采用热分解和电沉积制备了尺寸稳定的Ti/SnO₂-Sb₂O₃/β-PbO₂电极,并以此为阳极,不锈钢板为阴极,研究了电流密度、电极间距、初始pH和电解质浓度的单因素实验并分析了HPAM降解动力学。结果表明,在电流密度20 m A·cm^-2、初始pH=5、电解质浓度6000 mg·L^-1、电极间距1 cm条件下处理90 min后,对200 mg·L^-1HPAM溶液去除率为100%,HPAM降解过程符合一级动力学模型。最后通过离子色谱、三维荧光光谱、红外光谱和气相色谱和质谱联用技术等方法对HPAM的降解机理进行了分析,结果表明HPAM主要以断键氧化形式降解。设计了一套含聚污水电化学处理工艺,包括电氧化污水处理系统和脱气系统。对电化学反应器尺寸和壳体进行了详细计算,其尺寸为3500 mm×1000mm×3000mm,壁厚为14 mm。对脱气罐的尺寸进行设计,其中筒体直径为1630mm,筒体高度为3000 mm,壁厚为3 mm。此外,对工作电极、供电电源以及辅助设备等进行计算和选型。