在電池生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的含鉛廢水，鉛含量超出國家標準百倍.對地下水源構成很大威脅。如果不處理而任意排放，必然給環(huán)境與社會帶來極大的危害。人們已經(jīng)開展了廣泛的含鉛廢水的處理方法研究。早期的電解法處理重金屬離子廢水對設備腐蝕嚴重，電能消耗大，推廣應用困難，因而逐漸被其他方法取代。20世紀80年代，隨著人們對資源緊缺認識的逐漸加深，電解法重新引起了人們的重視，而三維電極的出現(xiàn)和發(fā)展更給電解法帶來了新的契機。電解法處理廢水一般無需加入很多化學藥品，具有后處理簡單、占地面積小、管理方便、污泥量小、資源有效回收等優(yōu)點，所以被稱為清潔處理法。目前國內三維電極電解法處理含銅工業(yè)廢水已經(jīng)處于應用階段，而對于三維電極電解Pb2+的研究還未見報道，但在國外已經(jīng)取得一定進展，并且是一種很有潛力的處理含鉛廢水的方法?；谀壳皣鴥韧馓幚砗U廢水的現(xiàn)狀，筆者通過系統(tǒng)的研究，找到了一種三維電極材料——泡沫銅，以其構成的三維電極用于電解處理含鉛廢水，取得了令人滿意的結果。

1 實驗部分

1.1 主要儀器及試劑

儀器：DDK-1實驗專用電源，紹興市承天電器有限公司：LZB-10玻璃轉子流量計，四聯(lián)余姚聯(lián)營公司：AC -2CP -MD離心泵，美國March公司;78HW-1磁力攪拌器，杭州儀表電機廠：721分光光度計，上海第三分析儀器廠;pHS-lOA數(shù)字酸度計，蕭山市科學儀器廠。

試劑：硝酸鉛、六次甲基四胺、丁二酮肟、酒石酸鉀鈉、氫氧化鈉、硼酸、二甲酚橙，均為分析純。

電極材料：泡沫銅，湖南力元有限公司。不銹鋼電極板、碎片石墨、銅粉均由本實驗室自制。

1.2實驗原理

由陰極反應可知，電解過程中，在陰極上存在Pb與H2的析出競爭反應。而通常條件下，陽離子的陰極析出電位愈正的優(yōu)先析出。然而由于H2的析出具有高的超電壓(也稱為過電位)，并且過電位與陰極電極材料以及電流密度密切相關，因此實際上Pb優(yōu)先析出。這一原理與濕法生產(chǎn)電解鋅中Zn優(yōu)先析出一樣。因此合理選擇陰極電極材料有可能選擇性使鉛在陰極上優(yōu)先析出。

1.3分析方法

pH的測定采用pHS-lOA數(shù)字酸度計;電流采用安培表測量;電壓用萬用表測量;流量用轉子流量計測量。Pb2+濃度采用分光光度法測定，顯色劑為二甲酚橙，線性回歸方程為y=154.95x，R2=0.999 7。

1.4實驗裝置

1-穩(wěn)壓電源;2一電流表;3-伏特表;4-陽極;5-陽離子交換膜;6-饋電極;7一固定床電極;8-流量計;9-泵;lO一陰極循環(huán)槽。

實驗采用自行設計的隔膜電解槽。電解槽分為陰極室和陽極室，陰極室為自下而上的循環(huán)室，陽極室封閉，兩極室采用強酸性陽離子交換膜隔開。實驗中陽極使用石墨，陰極則分別采用二維電極材料(不銹鋼板)、三維電極材料(泡沫銅、碎片石墨、銅粉)。該裝置可采用多室并聯(lián)也可單獨使用一組陰陽極室，可實現(xiàn)高效大流量操作，并具有易于拆卸和密閉性好的特點。

1.5 實驗方法和步驟

配模擬廢水，向水中定量加入硝酸鉛、硼酸緩沖溶液、支持電解質硝酸鈉，并調節(jié)pH至4.5;采用圖1所示實驗裝置，調節(jié)各種反應參數(shù)，包括流速、電流、電壓等到預定值;將400 mL電解液倒人電解液儲槽中.并開啟離心式水泵;在加熱裝置中通入水，調節(jié)溫度至所需.當電解液恒溫后開始反應，并保持電解過程中溫度不變;每隔10 min，記錄電流、槽壓、pH，同時從取液口中取出5 mL電解液，置于試管中.反應完成后使用分光光度法準確測量各反應階段的Pb2+濃度，實驗時間大約120 min。

實驗分別考察了電極材料、電解槽電極距、電壓對電解鉛的影響，并對各種影響因子分別進行了電解實驗。

2結果與討論

2.1 電極材料的選擇

選擇電極材料應力求提高電極材料對該反應的電催化活性及選擇性，同時考慮價廉易得。

2.1.1二維電極與三維電極的比較

實驗條件為普通直流電源，槽壓為3.00 V，流速為22 cm/s。分別以不銹鋼板(lCr18Ni9Ti)和泡沫銅為陰極進行電解含鉛廢水的實驗?？疾旖Y果表明：泡沫銅和不銹鋼兩種電極的電解都是從開始電解到某一段時間內濃度隨時間下降很快，當達到某一時刻后.濃度隨時間變化非常緩慢甚至停止。其中不銹鋼電極在電解過程前20 min速度較快，鉛質量濃度從109 mg/L下降到76 mg/L，20—100 min期間則電解非常緩慢，鉛質量濃度只從76 mg/L下降到71 mg/L。

泡沫銅則在電解過程的前30 min速度都非?？欤U質量濃度從109 mg/L迅速下降到18.7 mg/L，30—100 min期間則下降變得緩慢，只下降了3 mg/L，達到15.8 mg/L，遠遠低于不銹鋼電極的71 mg/L。因此從深度凈化的角度上看泡沫銅電極明顯優(yōu)于不銹鋼電極.其全過程對鉛的去除率為85%，而不銹鋼對鉛的去除率是34%,表明三維電極處理效果明顯優(yōu)于二維電極。

2.1.2各種三維電極的比較

選用泡沫銅、碎片石墨、銅粉作為三維陰極材料，并進行了電解鉛的實驗研究。實驗過程中仍然采用石墨作為陽極材料.電源為普通直流電源，槽壓為3.00 V，流速為22 cm/s。實驗結果如圖2所示。

由圖2可以看出：使用碎片石墨、銅粉這兩種材料的三維電極的Pb2+濃度隨時間變化趨勢與泡沫銅類似：起初一段時間內，濃度下降很快，然后濃度變化逐漸趨向于零。但從深度凈化的角度上看，泡沫銅電極電解鉛的效果明顯優(yōu)于碎片石墨電極和銅粉電極.而銅粉又明顯優(yōu)于碎片石墨。整個電解過程泡沫銅對鉛的去除率是85%.而銅粉和碎片石墨對鉛的去除率分別為73%和51.5%。

2.1.3各種電極的電流比較

觀察各種電極電解鉛的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當以不銹鋼、碎片石墨、銅粉、泡沫銅為陰極電解含鉛廢水時，在其他條件都相同的條件下，電流卻有很大差異，其中泡沫銅平均電流最大達到509 mA.其次是銅粉為441 mA.再次是碎片石墨為386 mA，最小為不銹鋼374 mA.其大小順序剛好與4種電極的優(yōu)劣順序相當。這并不是偶然現(xiàn)象，而是由于4種電極的電阻和比表面積不同導致的。泡沫銅由于比表面積最大，反應面積大，與離子接觸的機會最多，因而反應速度最快.從而導致電流大，這也正是三維電極優(yōu)于二維電極的地方：銅粉比表面積也很大，但由于堆積導致接觸面積減小，效果劣于泡沫銅;碎片石墨粒度較大.比表面較小，且由于石墨材料本身電阻比金屬要大，因此電流并不高，但仍然大于以不銹鋼板為陰極的二維電極。所以筆者認為相同電解條件下不同電極的電流大小，可以作為判斷電極好壞的指標。

2.2極距的影響

極距是陰極與陽極間的距離，其大小直接關系到槽壓的高低。為減小能耗，必須降低槽壓，而電解液中的電壓降是槽壓的重要組成部分，通過最大限度地縮短電極間的距離可以降低電解液中的電壓降.但此限度與隔膜的性質有關，隔膜表面的弱親水性將使槽壓隨極距的進一步減小而急劇上升[12]，此種隔膜的電解槽難以通過零極距的實現(xiàn)來降低能耗。在本實驗所采用的強酸性陽離子隔膜電解槽中.實驗電流400 mA,泡沫銅為陰極，改變極距，實驗結果如圖3所示。

由圖3可見.隨著極距的減小，槽壓一直呈下降的趨勢，這是由于極間距減小，消耗在溶液部分的電壓降大大降低，從而槽壓下降，電能的利用率提高。而且本實驗隨著極距的減小，并未出現(xiàn)槽壓的急劇上升。因此可采用接近零極距進行反應。

2.3槽壓的影響

槽壓對電解有重要影響，合適的槽壓可使電解反應效果達到最佳，過大或者過小都不利于反應的進行.或者降低反應效率或者會增加能耗。筆者研究了在不同槽壓下電解鉛的反應情況，槽壓分別選2、3、4V，Pb2+起始質量濃度100 mg/L左右，流速44 cm/s.泡沫銅為陰極。Pb2+濃度隨時間變化如圖4所示。

槽壓升高對含鉛廢水的深度凈化有利。因為槽壓升高，使得電流密度增大，電解反應加快，Pb2+濃度降低。由圖4可以看出，雖然整個反應遵循槽壓升高，最終出口Pb2+濃度降低的規(guī)律，但能達到的最低值也是有限度的，這一點可以從槽壓分別為3、4V時.二者最終出口Pb2+質量濃度差上看出，二者僅差6 mg/L。而進一步實驗發(fā)現(xiàn)，槽壓提高到SV時，最終出口Pb2+濃度與4V時基本沒多少差別，但析氫反應卻要比4V劇烈得多。因此從實驗結果上看選擇4V的槽壓是比較適宜的。

另外實驗中還發(fā)現(xiàn)，在電解含鉛廢水過程中，槽壓升高后適當增加陰極液的流速可以大大減少氫氣的析出。這主要是由于在電解過程中，主要的傳質方式是渦流擴散，增加流速可以加強傳質，大大減少濃差極化。

3 結論

采用電解法對模擬工業(yè)酸性低濃度含鉛廢水進行了電解研究.并重點考察了陰極電極材料的影響。研究表明三維陰極電極材料泡沫銅明顯優(yōu)于碎片石墨、銅粉。以其構成的三維電極處理含鉛廢水的效果也明顯優(yōu)于以不銹鋼板為陰極的二維電極。

采用三維電極泡沫銅作為陰極材料電解低濃度含鉛廢水，去除率達到84%。還考察了電解槽極距及槽壓的影響，并發(fā)現(xiàn)在零極距以及4V槽壓下具有最好的電解選擇性及電解效率。另外實驗發(fā)現(xiàn)濃差極化是影響鉛選擇性析出的重要因素。如何盡量減少濃差極化，成為能否進一步實現(xiàn)深度凈化以及提高電流效率的關鍵。下一步，筆者將采用脈沖電源對含鉛廢水進行電解研究，并將對反應溫度、流速以及各種脈沖電源的參數(shù)進行詳細研究，期待取得更好的電解效果。