电活化过硫酸盐体系强化处理电路板络合铜废水应用研究

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印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)是电子工业必不可少的基础组件,在各种电子设备中充当元器件的支撑体。电子设备数量的日益增长促进了印刷电路板产业的发展,产生了大量的印刷电路板废水。印刷电路板废水中含有络合铜废水,通常使用先添加破络剂破络,后添加絮凝剂沉淀的方式进行预处理,处理后的废水进入后续处理设施。该过程中存在铜不能被有效回收,含重金属污泥处置等问题。本研究使用硼掺杂金刚石(Boron-doped Diamond,BDD)电极作为阳极,不锈钢作为阴极,构建以络合铜废水中Cu-EDTA络合物为目标污染物的电活化过硫酸钠(PDS)体系,旨在实现Cu-EDTA络合物的同步解络合和电沉积,并分析BDD电极电活化过硫酸盐降解去除目标污染物的降解效能以及其电活化过硫酸盐作用机制。在BDD电极电活化过硫酸盐体系中,通过单影响因素实验,分析不同PDS浓度、溶液初始p H、电流密度以及电极间距对反应体系的影响,得出最佳反应条件。最佳反应条件为:溶液初始p H为3,PDS浓度为6 mmol/L,电流密度为10 m A/cm~2,电极距离为3 cm。在最佳反应条件下,反应3 h时Cu-EDTA的去除率达到99.93%,Cu2+的去除率达到82.74%,反应进行到4 h时,Cu2+的去除率达到92.62%。使用甲醇和叔丁醇作为活性物种捕获剂,在BDD电极电活化过硫酸盐降解去除Cu-EDTA络合物体系中进行自由基捕获实验,结果表明反应体系中存在·OH,可能存在其他活性物种以及活化过硫酸盐的非自由基氧化过程,并通过计算一级反应动力学常数来进行验证。使用电子自旋共振仪(ESR)检测反应体系中的活性物种,进而确定反应体系中存在·OH和非自由基氧化过程。通过线性扫描曲线和计时电流曲线分析BDD电极电活化过硫酸盐作用机制,反应体系中Cu-EDTA络合物的降解去除归因于BDD电极电解水产生·OH,活化PDS的非自由基氧化过程以及电极表面的电子转移过程,同时PDS的活化促进了·OH的产生。铜离子没有活化过硫酸盐,但起到了催化作用。通过高效液相色谱飞行时间质谱联用(HPLC-QTOF-MS)对Cu-EDTA降解中间产物进行分析,得出Cu-EDTA络合物降解过程中形成其他铜离子氨羧络合物,之后的氧化过程中实现了解络合和电沉积过程,导致Cu2+没有被马上释放到溶液中,因此Cu2+的电沉积效果受到了影响。使用一级反应动力学方程和二级反应动力学方程对不同影响因素下阳极降解去除Cu-EDTA络合物数据进行拟合,得出Cu-EDTA络合物的降解去除呈一级反应。通过线性扫描曲线对不锈钢电极还原性进行分析,不锈钢电极还原PDS和Cu-EDTA的电位相同,二者共存的反应体系中可能存在竞争。通过计时电流曲线进一步分析,得出阴极主要进行了Cu-EDTA络合铜的电沉积,以及解络合游离铜离子的电沉积过程,没有发生阴极活化过硫酸盐过程。通过电镀涂层的XRD分析,得出电沉积过程的产物为单质铜。分析阴极还原铜电流效率和反应过程能耗与电流密度的关系,确定电流密度10 m A/cm~2为合适的电流密度。通过相同电极20次循环电解实验,得出阳极和阴极具有良好的稳定性。本研究通过BDD电极电活化过硫酸盐体系的构建,为分析BDD阳极电活化过硫酸盐处理金属络合物提供理论基础,为印刷电路板络合铜废水的处理提供了一种新型处理技术。
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