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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:王瀅茜
論文名稱:利用電混凝系統處理水中砷之研究
論文名稱(外文):Removal of Arsenic from Water by Electrocoagulation
指導教授:陳建隆陳建隆引用關係
口試委員:陳建隆吳志超黃東池
口試日期:2013-07-29
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:環境工程與科學學系
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:電混凝鐵電極pH
相關次數:
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摘要
本研究係以電混凝系統進行除砷試驗,探討電混凝過程中pH值之變化,並觀察電壓大小及隔膜設置之差異對溶液中殘餘砷及鐵濃度之影響,並進行沉澱物之表面微觀及晶相分析。
本研究建立為一批次式實驗,於700mL之5mg/L三價砷溶液中,通入定電壓8伏特及16伏特,並於30、60、90、120分鐘時進行採樣,實驗前及採樣時皆量測溶液之pH值及導電度。首先比較鐵、鋁電極對除砷效率之影響,結果顯示鐵電極之除砷效率較佳,通電60分鐘之去除效率約59.70%,鋁電極僅13.32%。
於無隔膜及有隔膜之陰極系統中, pH值之變化隨著通電時間增加而上升,且電壓愈高上升之趨勢愈明顯;於有隔膜之陽極系統中, pH值於通電30分鐘時先上升爾後下降,通入之電壓愈高,pH值上升之趨勢愈明顯。
電混凝後之殘餘砷濃度可假設為類一階反應(pseudo-first-order),結果顯示,電壓愈高之砷去除效率愈佳,且又以無隔膜系統為最優,其次為有隔膜之陽極系統,再者為有隔膜之陰極系統。而溶液中之殘餘鐵濃度與pH值成反比,無隔膜及有隔膜之陰極系統中pH值及高(約12),致使溶液中鐵含量極低;有隔膜陽極系統之鐵含量則隨通電時間增加而上升。
實驗後僅無隔膜及有隔膜之陽極系統有沉澱物之產生,並利用高解晰可變真空掃描式電子顯微鏡及能量散佈光譜儀(VVSEM)進行表面微觀及定性分析,結果顯示無隔膜之沉澱物顆粒較小,可吸附之比表面積較大,故除砷效率較佳;而有隔膜陽極系統之沉澱物顆粒較大,相對可吸附之比表面積較小。
沉澱物亦利用多功能薄膜X光繞射儀(HR-XRD)進行晶像分析,結果顯示無隔膜及有隔膜之陽極系統之沉澱物皆包含Fe2O3及FeO(OH)兩物種之晶相,且又以針鐵礦(α-FeO(OH))及纖鐵礦(γ-FeO(OH))為主。
實驗結果亦顯示,於相同之操作電壓下,無隔膜系統產生之沉澱物較有隔膜之陽極系統多,由此可知,於16伏特時相同砷之去除效率情況下,有隔膜陽極系統產生之沉澱物相對較少,可減少二次污泥產生以達此研究目的。
目錄
致謝 i
摘要 ii
Abstract iv
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xi
第一章 前言 1
1.1研究緣起 1
1.2研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1砷之來源、特性及危害 3
2.1-1砷之來源 3
2.1-2砷之物化特性 3
2.1-3砷對人體健康之影響 7
2.2去除水中砷之方法回顧與評析 9
2.2-1混凝沉澱過濾法 9
2.2-2吸附及離子交換法 11
2.2-3逆滲透及薄膜過濾法 12
2.3電混凝沉澱除砷之基礎理論 14
2.3-1電混凝基本原理 14
2.3-2電極材料對電混凝除砷之影響 19
2.3-3 pH值對電混凝除砷之影響及變化 20
2.3-4電流密度對電混凝除砷之影響 21
2.3-5砷之氧化態對除砷之影響 22
第三章 實驗材料、設備及方法 23
3.1實驗流程 23
3.2實驗方法 25
3.2-1隔膜設置試驗 25
3.2-2電壓試驗 25
3.2-3水樣之分析方法 26
3.2-4沉澱物之物化特性分析 27
3.3實驗材料及設備 28
3.3-1實驗材料 28
3.3-2實驗裝置 29
3.3-3實驗分析設備 31
3.3-4質子交換膜之特性及處理方法 32
第四章 結果與討論 34
4.1鐵、鋁電極除砷效率之比較 34
4.2 pH值之變化 36
4.3三價砷去除率 39
4.3-1隔膜之影響 39
4.3-2電壓之影響 44
4.4殘餘鐵濃度 47
4.4-1 pH值之影響 47
4.4-2隔膜之影響 49
4.5電混凝沉澱物之產量及特性分析 52
4.5-1沉澱物之產量 52
4.5-2表面微觀及定性分析 52
4.5-3多功能薄膜X光繞射儀(HRXRD)晶相分析 55
第五章 結論與建議 59
5.1結論 59
5.2建議 61
參考文獻 62



圖目錄
圖2.1砷物種在水中氧化還原電位及pH值之相關性(25℃,1bar大氣壓下) 5
圖2.2砷酸鹽在不同pH值下之物種(α為物種之比例) 6
圖2.3亞砷酸鹽在不同pH值下之物種(α為物種之比例) 6
圖2.4膠體粒子懸浮於水溶液中所形成之電雙層結構 15
圖2.5 DLVO理論之位能曲線示意圖 16
圖2.6電混凝反應示意圖 18
圖2.6台灣各地區地下水pH統計 21
圖3.1實驗流程規劃示意圖 24
圖3.3 Nafion分子式 33
圖4.1鐵、鋁電極對電混凝除砷效果之比較 35
圖4.2電混凝過程中pH值之變化(無隔膜) 37
圖4.3電混凝過程中pH值之變化(有隔膜之陽極) 38
圖4.4電混凝過程中pH值之變化(有隔膜之陰極) 38
圖4.5電混凝過程中砷濃度之變化(8V) 40
圖4.6電混凝過程中砷濃度之變化(16V) 40
圖4.7不同電極配置之反應速率k值示意圖(8V) 43
圖4.8不同電極配置之反應速率k值示意圖(16V) 43
圖4.9不同電壓下之反應速率k值示意圖(無隔膜) 45
圖4.10不同電壓下之反應速率k值示意圖(有隔膜之陽極) 46
圖4.11不同電壓下之反應速率k值示意圖(有隔膜之陰極) 46
圖4.12電混凝過程中pH值及殘餘鐵濃度之變化(無隔膜) 48
圖4.13電混凝過程中pH值及殘餘鐵濃度之變化(有隔膜之陽極) 48
圖4.14電混凝過程中pH值及殘餘鐵濃度之變化(有隔膜之陰極) 49
圖4.15電混凝過程中不同電極配置殘餘鐵濃度之變化(8V) 51
圖4.16電混凝過程中不同電極配置殘餘鐵濃度之變化(16V) 51
圖4.17無隔膜沉澱物進行VVSEM表面微觀之結果 53
圖4.18無隔膜沉澱物進行EDS定性分析 54
圖4.19有隔膜陽極沉澱物進行VVSEM表面微觀之結果 54
圖4.20有隔膜陽極沉澱物進行EDS定性分析 55
圖4.21 Fe2O3利用HRXRD之晶相分析結果 56
圖4.22 FeO(OH)利用HRXRD之晶相分析結果 57
圖4.23無隔膜實驗沉澱物利用HRXRD之晶相分析結果 57
圖4.24有隔膜陽極實驗沉澱物利用HRXRD之晶相分析結果 58


表目錄
表2.1砷對人體健康危害資料 8
表2.2常見混凝劑之種類 10
表2.3化學混凝影響因子之參考文獻整理 11
參考文獻
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