一种电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备

1.本发明涉及高浓度含镉废液的处理技术领域，具体为一种电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备。


背景技术：

2.镉离子很容易通过水体富集经食物链进入人体，导致肾损害与软骨病，是一种致癌的中重金属离子，含镉废液的排放在各国都受到严格控制。然而，含镉溶液的使用在一些行业又无法避免。传统的镉废水主要来源于电镀厂、硫化镉生产厂、锌铅精矿熔炼厂、海绵镉生产厂以及蓄电池厂等。近年来随着碲化镉薄膜光伏电池的开发和大量应用于建设光伏发电站，在碲化镉电池生产和未来废旧电池的回收过程中都不可避免产生含镉废液，而且一般浓度都比较高。
3.目前常用的镉废液处理方法包括化学沉淀法、铁氧体法、电絮凝法、吸附法和离子交换法等。这些方法普遍存在除镉率低，能耗大和成本高的问题，而且往往会产生固体废弃物，造成二次污染。尤其是对于高浓度的含镉废液，这些方法的成本更高，难度更大。相对而言，电还原处理技术由于具有自动化程度高、占地面积小、简单易控、经济可行和环境友好等优势，尤其是在重金属废水处理领域应用较多。尤其，对于高浓度的金属离子溶液，电还原沉积法的优势更加突出，不仅操作简便，而且直接获得纯金属，形成的固体方便收集，经济效益好。电还原沉积时，反应器是电还原沉积技术的核心。反应器的主要构造包括阴极、阳极和电解质。按照电极排列方式，反应器可分为二维反应器（2d，如平行板反应器等）和三维反应器（3d，如流化床反应器、填充床反应器和喷动床反应器等）。3d反应器通过向电极间添加粒状或碎屑状的电极材料，增大的比表面积和更高的传质速率，提高了去除率并降低了能耗。在实际使用过程中，工作电极的面积是制约除镉效率的重要因素。对于2d反应器，相对电极面积下占地面积较大；对于3d反应器，尽管依靠颗粒或者多孔电极增加了电极的比表面积，但清除电还原出来金属较为困难。对于高浓度含镉废液，电还原过程中产生的大量金属很快堵塞多孔电极，清理更为困难。另外，对于电还原沉积用的金属电极，很容易因为局部电极间距甚至结构的不均匀，造成局部金属镉生成速率过快而发生短路现象，导致沉积过程终止。
4.现有的电还原法处理含镉废液时，反应器的工作电极面积是制约除镉效率的重要因素。在处理含镉废液时，要兼具增大反应器的工作电极面积，同时减少持续处理含镉废水时清除电还原生成金属的难度。


技术实现要素：

5.（一）解决的技术问题针对现有技术的不足，本发明提供了一种电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备，具备在实现增大电极面积同时增加了档板结构，以方便清除电还原生成的金属镉，防止短路发生等优点，解决了电还原法处理含镉废液时，反应器的工作电极面积是制
约除镉效率的重要因素。在处理含镉废液时，要兼具增大反应器的工作电极面积，同时减少持续处理含镉废水时清除电还原生成金属的难度的问题。
6.（二）技术方案为实现上述目的，在增大电极面积同时增加了档板结构，以方便清除电还原生成的金属镉，防止短路发生，本发明提供如下技术方案：一种电化学还原处理高浓度含镉废液的处理设备，包括圆筒阳极，所述圆筒阳极内侧设置有圆筒阴极，所述圆筒阴极顶部固定连接有旋转电极，所述旋转电极外表面固定连接有反应器盖，所述反应器盖底部设置有刮板，所述圆筒阳极右侧设置有出液口，所述圆筒阳极内侧设置有mmo层，所述圆筒阳极底部时有出料口，所述圆筒阳极下方设置有过滤网，所述过滤网下方设置有容器。
7.优选的，所述刮板底端位于圆筒阳极内部，所述出液口底端设置于容器右侧。
8.优选的，所述圆筒阳极左侧设置有进液口，所述进液口底端固定连接在容器左侧，所述进液口中间设置有传输泵。
9.本发明要解决的另一技术问题是提供一种电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备，包括以下步骤：s1、将含镉废液从盛有废液的容器通过循环传输泵输入电还原装置，在圆筒阴极和圆筒阳极间施加恒电压或恒电流模式，开始电还原；s2、电还原沉积金属镉持续进行，移动刮板靠近圆筒阴极，将局部由于电还原沉积速率不均匀导致的局部突出的金属镉清除；s3、清除掉的金属镉掉落，并在出料口累积，一定时间后，打开挡板，经过滤网将刮掉的金属镉分离取出；s4、当废液中的镉含量处理达到标准后，将溶液转入到其它处理工艺；s5、取出圆筒阴极，采用机械车削的方法除去圆筒阴极表面的金属镉。
10.优选的，所述高浓度是指溶液中含镉量在100mg/l以上。
11.优选的，所述步骤s1中，在圆筒阴极和圆筒阳极间施加恒电位或恒电流，其中，采用的恒电压为5v-40v，恒电流为50ma/cm2-500ma/cm2。
12.优选的，所述步骤s3中，安装一个刮板，刮掉不均匀生长的突出金属镉。
13.优选的，所述步骤s3中，在反应器的底部出料口装有一挡板，打开挡板可将刮掉积累的金属镉通过滤网，过滤出金属镉并取出。
14.优选的，所述步骤s5中，清除圆筒阴极表面电还原沉积的金属镉采用机械车削的方法去除。
15.优选的，所述圆筒阴极的材料为金属ti或者金属cu，圆筒阳极材料为金属ti，且在其内壁涂层iro2或者iro
2-ruo2的金属氧化物，即为mmo。
16.（三）有益效果与现有技术相比，本发明提供了一种电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备，具备以下有益效果：1、该电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备，采用了圆筒式阴极和阳极装置，尽量减少阴极和阳极间的间隙，放大了电还原面积与溶液体积的比，既提高了处理效率，又减少了设备占地面积和投资成本；装置内增加刮板，以有利于清除因为局部电还原
速率过快而导致金属镉过快生长造成的短路问题，使得电还原过程可以长期可持续，更有利于设备的稳定运行和维护。
17.2、该电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备，通过采用电还原法处理含镉废水时，由于减少的镉离子会被阳极氧化水生成的氢离子取代，镉离子浓度越高，最后溶液中产生的氢离子浓度越高，溶液酸性越强，对电还原生成的金属镉的腐蚀能力也就越强，最终溶液中残留镉离子浓度增加。因此，对于高浓度含镉废液，还需要结合其它处理技术，比如带有离子交换膜的电渗析和离子交换树脂法，才能将含镉废液处理到符合排放标准甚至饮用标准。
附图说明
18.图1为本发明整体结构示意图。
19.图中：1、旋转电极；2、圆筒阴极；3、圆筒阳极；4、反应器盖；5、进液口；6、出液口；7、mmo层；8、挡板；9、刮板；10、过滤网；11、容器；12、传输泵；13、出料口。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.一种电化学还原处理高浓度含镉废液的处理设备，包括圆筒阳极3，圆筒阳极3内侧设置有圆筒阴极2，圆筒阴极2顶部固定连接有旋转电极1，旋转电极1外表面固定连接有反应器盖4，反应器盖4底部设置有刮板9，圆筒阳极3右侧设置有出液口6，圆筒阳极3内侧设置有mmo层7，圆筒阳极3底部时有出料口13，圆筒阳极3下方设置有过滤网10，过滤网10下方设置有容器11。
22.刮板9底端位于圆筒阳极3内部，出液口6底端设置于容器11右侧，圆筒阳极3左侧设置有进液口5，进液口5底端固定连接在容器11左侧，进液口5中间设置有传输泵12。
23.s1、将含镉废液从盛有废液的容器11通过循环传输泵12输入电还原装置，在圆筒阴极2和圆筒阳极3间施加恒电压或恒电流模式，开始电还原；s2、电还原沉积金属镉持续进行，移动刮板9靠近圆筒阴极2，将局部由于电还原沉积速率不均匀导致的局部突出的金属镉清除；s3、清除掉的金属镉掉落，并在出料口13累积，一定时间后，打开挡板8，经过滤网10将刮掉的金属镉分离取出；s4、当废液中的镉含量处理达到标准后，将溶液转入到其它处理工艺；s5、取出圆筒阴极2，采用机械车削的方法除去圆筒阴极2表面的金属镉。
24.高浓度是指溶液中含镉量在100mg/l以上，步骤s1中，在圆筒阴极2和圆筒阳极3间施加恒电位或恒电流，其中，采用的恒电压为5v-40v，恒电流为50ma/cm2-500ma/cm2，步骤s3中，安装一个刮板9，不均匀生长的突出金属镉刮掉，在反应器的底部出料口13装有一挡板8，打开挡板8可将刮掉积累的金属镉通过滤网10，过滤出金属镉并取出，步骤s5中，清除圆筒阴极2表面电还原沉积的金属镉采用机械车削的方法去除，圆筒阴极2的材料为金属ti
或者金属cu，圆筒阳极3材料为金属ti，且在其内壁涂层iro2或者iro
2-ruo2的金属氧化物。
25.实施例一本实施例中利用以下方法对含镉废水进行处理，本实施例中所处理的废水中含有浓度为33.0g/l的cd
2+
，ph为1.1。
26.具体的处理步骤如下：s1、将高浓度含镉废液从容器11通过循环传输泵12输入电还原装置，实现液体循环，在圆筒阴极2和圆筒阳极3间施加恒电压6.0v，开始电还原；s2、持续电还原沉积，圆筒阴极2表面不断生成金属镉，并逐步将电还原电压提高至40v，当厚度超过一定厚度时，特别是局部金属镉生长过快而明显突出，表现为电流突然增加时，移动刮板9靠近圆筒阴极2，刮掉明显突出的金属镉；s3、挡板8刮掉的金属镉掉落在出料口13并累积，大约6h后，打开控制出料口13的挡板8，底部溶液连同掉落的金属镉流出，经过滤网10分离后取出金属镉颗粒；s4、取出圆筒阴极2，采用机械车削方法切除圆筒阴极2表面的金属镉；s5、将上述过程循环，直至溶液中的镉浓度低于100mg/l的标准后，ph达到0.6，将溶液转移到后续更精细的处理工艺。
27.实施例二本实施例中利用以下方法对含镉废水进行处理，本实施例中所处理的废水中含有浓度为1.0g/l的cd
2+
，ph为2.0。
28.具体的处理步骤如下：s1、将高浓度含镉废液从容器11通过循环传输泵12输入电还原装置，实现液体循环，在圆筒阴极2和圆筒阳极3间施加恒电流50ma/cm2，开始电还原；s2、持续电还原沉积，并逐步将电还原电流增加到100ma/cm2，当局部金属镉生长过快而明显突出，表现为电还原电压突然下降时，移动刮板9靠近圆筒阴极2，刮掉明显突出的金属镉；s3、挡板8刮掉的金属镉掉落在出料口13并累积，大约每2小时打开控制出料口13的挡板8，底部溶液连同掉落的金属镉流出，经过滤网10分离后取出金属镉颗粒；s4、取出圆筒阴极2，采用机械车削方法切除圆筒阴极2表面的金属镉；s5、的上述过程循环，直至溶液中的镉浓度低于1.0mg/l的标准后，ph达到1.5左右，将溶液转移到后续更精细的处理工艺。
29.实施例三本实施例中利用以下方法对含镉废水进行处理，本实施例中所处理的废水中含有浓度为200mg/l的cd
2+
，ph为3.0。
30.具体的处理步骤如下：s1、将含镉废液从容器11通过循环传输泵12输入电还原装置，实现液体循环，在圆筒阴极2和圆筒阳极3间施加恒电流500ma/cm2，开始电还原；s2、持续电还原沉积，圆筒阴极2表面不断生成金属镉，并逐步将电还原电流调降到50 ma/cm2，当局部金属镉生长过快而明显突出，表现为电还原电压突然下降时，移动刮板9靠近圆筒阴极2，刮掉明显突出的金属镉；s3、挡板8刮掉的金属镉掉落在出料口13并累积，大约每2小时打开控制出料口13
的挡板8，底部溶液连同掉落的金属镉流出，经过滤网10分离后取出金属镉颗粒；s4、取出圆筒阴极2，采用机械车削方法切除圆筒阴极2表面的金属镉；s5、的上述过程循环，直至溶液中的镉浓度低于1.0mg/l的标准后，ph达到6.0左右，将溶液转移到后续更精细的处理工艺。
31.该电化学还原处理高浓度含镉废液的方法和处理设备，采用了圆筒式阴极和阳极装置，尽量减少阴极和阳极间的间隙，放大了电还原面积与溶液体积的比，既提高了处理效率，又减少了设备占地面积和投资成本；装置内增加刮板9，以有利于清除因为局部电还原速率过快而导致金属镉过快生长造成的短路问题，使得电还原过程可以长期可持续，更有利于设备的稳定运行和维护，通过采用电还原法处理含镉废水时，由于减少的镉离子会被阳极氧化水生成的氢离子取代，镉离子浓度越高，最后溶液中产生的氢离子浓度越高，溶液酸性越强，对电还原生成的金属镉的腐蚀能力也就越强，最终溶液中残留镉离子浓度增加。因此，对于高浓度含镉废液，还需要结合其它处理技术，比如带有离子交换膜的电渗析和离子交换树脂法，才能将含镉废液处理到符合排放标准甚至饮用标准。
32.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。