采用双极板电极组合电化学工艺处理纺织工业废水反渗透浓水

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》:Treatment of Reverse Osmosis Concentrate of Textile Industry Wastewater Using Combined Electrochemical Processes with Bipolar Electrodes

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月14日 来源:Chemical Engineering and Processing - Process Intensification 3.9

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   摘要本研究重点关注联合电化学过程在纺织行业废水处理厂反渗透浓缩液处理中的应用。电解絮凝(EC)和电氧化(EO)在两个联合过程中同时应用,其中在EC阶段分别独立使用铝(Al)和铁(Fe)电极。EC/EO/Al和EC/EO/Fe工艺的操作参数基于Box-Behnken设计进行了优

  

摘要

本研究重点关注联合电化学过程在纺织行业废水处理厂反渗透浓缩液处理中的应用。电解絮凝(EC)和电氧化(EO)在两个联合过程中同时应用,其中在EC阶段分别独立使用铝(Al)和铁(Fe)电极。EC/EO/Al和EC/EO/Fe工艺的操作参数基于Box-Behnken设计进行了优化。数值模拟得到的最优操作值为:EC/EO/Al工艺的最佳pH为5.77,电流密度为8.47 mA/cm2,反应时间为93.9分钟;EC/EO/Fe工艺的最佳pH为6.85,电流密度为8.50 mA/cm2,反应时间为94.7分钟。在验证研究中,EC/EO/Al的化学需氧量(COD)去除率为89.5%,EC/EO/Fe的去除率为82.5%。EC/EO/Al和EC/EO/Fe工艺的单位能耗分别为5.6 kWh/kg COD和10.8 kWh/kg COD。处理后的纺织行业反渗透浓缩液符合土耳其《水污染防治条例》规定的排放限值。基于本研究结果,两种联合电化学过程可被视为纺织行业反渗透浓缩液管理的有效的替代方法。

引言

膜过滤技术,特别是纳滤和反渗透(RO),广泛用于纺织废水处理,通过有效去除色度和盐度实现水资源的回用[1,2]。反渗透是纺织废水回用中常用的技术,可改善水质;然而,它会产生浓缩废液作为二次污染物[3,4]。由于反渗透浓缩液具有高毒性、难降解有机污染物和高盐浓度,其处理面临诸多困难[5]。
传统工艺如吸附、混凝和高级氧化可用于反渗透浓缩液的处理;然而,这些传统工艺存在显著的应用局限性[[6], [7], [8], [9], [10]]。吸附工艺需要定期再生吸附剂并产生浓缩废物,带来额外的环境风险。混凝工艺去除效率低且化学药剂成本高。传统高级氧化工艺(AOPs),如臭氧氧化、光化学氧化和Fenton反应,需要大量化学试剂的使用。电化学过程因其无需添加药剂、环境友好和操作简便等优势而日益受到关注[8]。在电化学氧化方法中,电解絮凝(EC)和电氧化(EO)近年来被研究用于处理膜浓缩液[[11], [12], [13], [14]]。
电解絮凝是一种有效的方法,通过施加电流来促进电解质溶液中悬浮物和溶解态污染物的失稳[15]。此外,电解絮凝在电解过程中产生气泡,有助于通过气浮将污染物携带至液面[15]。然而,电极钝化、阳极腐蚀以及对溶解态有机物效果有限等问题可能限制其性能[16]。在电解过程中,金属阳离子通过阳极反应从牺牲阳极上溶解,而在阴极,水的还原导致氢氧根离子和H?气体的生成[17]。除这些反应外,水在阳极被氧化并释放O?。氢氧根的生成起着关键作用,因为电解槽内pH值的升高促进了金属氢氧化物复合物的沉淀,并有助于金属在阴极的还原[17]。在后续阶段,这些离子参与形成氢氧化物,氢氧化物要么与污染物络合,要么吸附污染物,从而导致其沉淀[18]。
电氧化因高效率且无二次污染而脱颖而出[19,20]。电氧化通过两种机制发挥作用:直接氧化和间接氧化。在直接氧化过程中,污染物直接在阳极表面发生电子转移;而间接氧化以氧化剂的生成为特征。直接氧化途径通常遵循两个连续步骤:(1)污染物在阳极上的传输和吸附;(2)污染物在阳极表面通过电子损失被氧化[21,20]。在间接氧化过程中,水在电极表面被氧化,产生羟基自由基。这些自由基随后吸附在阳极表面并间接氧化污染物[22]。在间接氧化中,污染物被电极表面产生的羟基自由基和过氧羟基自由基直接氧化,同时在过程中形成额外的氧化剂,有助于其降解[23,24]。
EC和EO的联合使用消除了两种方法各自的局限性,并产生了协同效应。这种协同效应通过EC增强悬浮物的去除和EO增强溶解态难降解有机污染物的去除来实现[[25], [26], [27]]。文献中已报道了联合EC/EO处理不同废水的成功应用,如乳制品行业[28]、制革[25]、石油炼制[29]、山羊奶酪乳清[30]、成熟垃圾填埋渗滤液[31]和纺织业[32]。
关于使用联合电化学工艺处理纺织废水的研究仍然有限。GilPavas等人[32]应用了联合EC和EO工艺处理纺织废水[32],而Zazou等人[33]研究了EC与电化学高级氧化工艺(AOPs)的耦合[33]。近年来,研究人员开展了旨在处理和减少来自各种工业应用产生的RO浓缩液量的研究[34,35]。Alt?nay等人[11]应用EC和电Fenton(EF)工艺,随后进行电渗析(ED),处理使用NF和RO对经生物处理的纺织废水处理后得到的膜浓缩液。他们的研究结果表明,应用于RO浓缩液的EC+ED工艺实现了71%的COD去除率和85%的色度去除率,而EF+ED工艺则实现了85%的COD去除率和98%的色度去除率[11]。在另一项研究中,使用混合金属氧化物阳极进行电氧化处理纺织行业RO浓缩液,报道了68%的COD去除率[36]。Van Hege等人[37]报道,利用不同阳极材料的单独电氧化工艺成功处理了处理混合生活污水和纺织行业废水的中试厂RO浓缩液中的总氨氮、COD和色度[37]。在另一项研究中,Aouni等人[3]评估了使用联合EC和EF工艺耦合ED处理合成纺织RO浓缩液的效果,并报道混合EF/ED和EC/EF/ED工艺提供了相似的处理效率[3]。另一方面,混合处理应用将膜过程与高级氧化技术(如热活化过硫酸盐氧化[38]或在线化学混凝/沉淀[39])相结合用于纺织废水。在我们之前的研究中,联合电氧化和过氧化混凝工艺被应用于有效处理真实纺织RO浓缩液[40]。
尽管在顺序处理或氧化-混凝耦合方面取得了这些进展,但尚无研究报告在一个无隔膜反应器中同时整合EC和EO并使用铝(Al)和铁(Fe)双极板电极来处理纺织RO浓缩液。因此,本研究是文献中首次系统评估联合EC/EO双极配置在纺织RO浓缩液处理中的协同效应,并采用Box-Behnken设计优化操作变量。

章节摘要

废水表征与分析方法

废水作为 grab sample 样品收集自土耳其伊斯坦布尔一家工业棉纺织设施内废水处理厂RO单元的浓缩液流。样品被装入聚乙烯容器中送至实验室,并在+4 °C条件下保存,以在实验前尽量减少生物和化学变化。RO浓缩液根据标准方法[41]进行了表征(表1)。样品的pH值和电导率

对照实验

进行了对照实验以识别和比较单独EC、EO以及联合EC/EO处理在纺织RO浓缩液污染物去除方面的性能。在单独EC工艺中,使用Al-Gr和Fe-Gr电极对,而在EO工艺中使用Gr-Gr电极对。在联合EC/EO处理中,在Gr-Gr电极对之间放置三块铝板和三块铁板。在使用铝和铁板的双极板工艺中,不同的阳极

结论

本研究评估了联合电化学工艺在纺织废水RO浓缩液处理中的应用。研究结果表明,EC和EO的整合显著提高了处理性能,优于单独应用。重要的是,处理后的出水符合土耳其《水污染防治条例》规定的排放限值,证实了两种方法在废水处理中既有效又具有实际应用价值

资金支持

未获得任何资金支持。

CRediT作者贡献声明

Miray Y?lmaz:撰写——初稿,形式分析,数据整理。Irem Ozen:撰写——审阅与编辑,可视化,数据整理。Senem Yazici Guvenc:撰写——审阅与编辑,撰写——初稿,验证,监督,方法论,调查研究,概念化。Emine Can-Güven:撰写——审阅与编辑,验证,形式分析,数据整理,概念化。Hilal Ilhan:撰写——审阅与编辑,可视化,数据整理。Narmin Garazade:撰写——
Miray Y?lmaz|Irem Ozen|Senem Yazici Guvenc|Emine Can-Güven|Hilal Ilhan|Narmin Garazade|Gamze Varank
伊斯坦布尔,土耳其,Yildiz技术大学,土木工程学院,环境工程系,邮编34220
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