电化学沉积法去除西部矿区矿井水硬度研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0578

工业水处理 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (8): 148-156. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2024-0578

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电化学沉积法去除西部矿区矿井水硬度研究

毛行之¹^,²^,³(), 唐佳伟¹, 王霄¹, 冒冉³, 李杰¹^,⁴, 李宁⁵(), 孙彦龙²(), 赵旭³

^1. 北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室，北京 102211
^2. 浙江师范大学地理与环境科学学院，浙江金华 321004
^3. 中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室，北京 100085
^4. 国能神东煤炭技术研究院，陕西榆林 719315
^5. 中国城市规划设计研究院，北京 100044

收稿日期:2025-06-18 出版日期:2025-08-20 发布日期:2025-09-25
通讯作者: 李宁, 孙彦龙
作者简介:
毛行之（1999— ），硕士研究生，E-mail：m920634552@163.com。
基金资助:
煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室2021 年开放基金课题(GJNY-21-41-12); 国家自然科学基金项目(52270082); 国家自然科学基金项目(52200072); 国家能源集团科技创新项目(GJNY-20-198-1); 浙江省自然基金项目(LTGS23E080004)

Electrochemical deposition removal of mine water hardness in the western coal-mining region

Xingzhi MAO¹^,²^,³(), Jiawei TANG¹, Xiao WANG¹, Ran MAO³, Jie LI¹^,⁴, Ning LI⁵(), Yanlong SUN²(), Xu ZHAO³

^1. National Institute of Low Carbon and Clean Energy, State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining, Beijing 102211, China
^2. College of Geography and Environmental Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China
^3. State Key Laboratory of Environmental Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
^4. Technology Research Institute, Shendong Coal Group Co. , Ltd. , CHN Energy, Yulin 719315, China
^5. China Academy of Urban Planning and Design, Beijing 100044, China

Received:2025-06-18 Online:2025-08-20 Published:2025-09-25
Contact: Ning LI, Yanlong SUN

摘要/Abstract

摘要：

采用电化学沉积法去除神东矿区大柳塔煤矿矿井水硬度，分析了阴极材料结构与形貌对矿井水硬度去除的影响，结果表明，电极表面磨砂结构更有利于钙、镁离子的电沉积去除，网状形貌阴极可进一步强化电沉积效率。同时探讨了初始硬度、电流密度、电极数量、pH等参数对电化学去除矿井水硬度的影响。在中性条件下，初始硬度为310 mg/L，电流密度范围为2~6 mA/cm²，阴极和阳极极板面积之比3∶2时，矿井水硬度去除率可在180 min内约达90%。随着硬度/重碳酸氢盐碱度的不断降低，硬度去除效率也不断增加，通过响应曲面法探究了不同因素对电化学除硬效率影响的交互作用，发现对水软化效率交互影响：电流密度与初始硬度>初始硬度与硬度/重碳酸盐碱度>电流密度与硬度/重碳酸盐碱度。并且在初始硬度为795.6 mg/L，硬度/重碳酸盐碱度为0.668、电流密度为4.74 mA/cm²的优化条件下，矿井水硬度去除率可达99.91%，验证试验得到硬度去除率为99.54%，相对误差为0.37%。SEM、EDS、XRD分析结果显示，阴极沉积物的主要晶型为方解石，主要由不规则形状、2~10 μm的碳酸钙晶体构成。

关键词: 电沉积, 西部矿井水, 钙镁离子, 水软化

Abstract:

The electrochemical deposition method was used to remove the hardness of mine water of the Daliuta Coal Mine in Shendong Mining Area. The effect of cathode material structure and morphology on the hardness removal of mine water was analyzed. The results showed that the abrasive structure of the electrode surface was more conducive to the removal of calcium and magnesium ions by electrodeposition, and the reticulated cathode could further enhance the electrodeposition efficiency. The effects of parameters such as initial hardness, current density, number of electrodes and pH on the electrochemical removal of mine water hardness were also investigated. Under neutral conditions, with an initial hardness of 310 mg/L, a current density of 2-6 mA/cm², and a cathode to anode electrode are a ratio of 3∶2, mine water hardness could be removed by 90% within 180 min. With the decreasing hardness/bicarbonate alkalinity, the hardness removal efficiency increased. The interaction of different factors on the effect of electrochemical hardness removal efficiency was investigated by response surface method, and it was found that the order of the interaction effects on the water softening efficiency was as follows:current density and initial hardness>initial hardness to hardness and bicarbonate alkalinity>current density to hardness and bicarbonate alkalinity. Under the optimized conditions of initial hardness of 795.6 mg/L, hardness/bicarbonate alkalinity of 0.668 and current density of 4.74 mA/cm², the hardness removal efficiency of mine water could reach 99.91%, and the hardness removal efficiency of 99.54% was obtained from the validation test, with a relative error of 0.37%. The results of SEM, EDS and XRD analysis showed that the main crystalline form of the cathodic deposit was calcite, which was mainly composed of irregularly shaped, 2-10 μm calcium carbonate crystals.

Key words: electrodeposition, western mine water, calcium and magnesium ions, water softening

中图分类号:

X703.1

毛行之, 唐佳伟, 王霄, 冒冉, 李杰, 李宁, 孙彦龙, 赵旭. 电化学沉积法去除西部矿区矿井水硬度研究[J]. 工业水处理, 2025, 45(8): 148-156.

Xingzhi MAO, Jiawei TANG, Xiao WANG, Ran MAO, Jie LI, Ning LI, Yanlong SUN, Xu ZHAO. Electrochemical deposition removal of mine water hardness in the western coal-mining region[J]. Industrial Water Treatment, 2025, 45(8): 148-156.

https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I8/148

图/表 18

表1 矿井水水质指标

Table 1 Index of mine water quality

指标	数值
钙/（mg·L^-1）	116
镁/（mg·L^-1）	4.8
总硬度（钙镁总和，以CaCO₃计）/（mg·L^-1）	310
氟化物/（mg·L^-1）	2.06
氯化物/（mg·L^-1）	470
硫酸盐/（mg·L^-1）	496
悬浮物/（mg·L^-1）	12
电导率/（mS·cm^-1）	2.23
重碳酸盐碱度（以CaCO₃计）/（mg·L^-1）	284
碳酸盐碱度（以CaCO₃计）/（mg·L^-1）	0
钾/（mg·L^-1）	5.63
钠/（mg·L^-1）	345.42
COD/（mg·L^-1）	8
pH	7.23

图1 反应装置

Fig. 1 Diagram of the reaction device

图2 不同类型阴极材料的表面结构

Fig. 2 Surface morphology images of different types of cathode materials

图3 不同阴极软化矿井水的效果

Fig. 3 The effect of different cathodes on softening mine water

图4 不同电流密度除硬效率对比

Fig. 4 Comparison of hardness removal efficiency at different current densities

图5 不同阴/阳极板面积比对电化学除硬效率对比

Fig. 5 Comparison of hardness removal efficiency at different cathode/anode area ratios

图6 不同初始硬度对电化学除硬效率对比

Fig. 6 Comparison of electrochemical hardness removal efficiency at different initial hardness levels

图7 不同pH对电化学除硬效率对比图

Fig. 7 Comparison of electrochemical hardness removal efficiency at different pH levels.

图8 硬度/重碳酸氢盐碱度对电化学除硬的影响

Fig. 8 The effect of hardness/bicarbonate alkalinity on electrochemical hardness removal

表2 设计因素和水平

Table 2 Design factors and levels

因素	水平
因素	-1	0	1
A/（mg·L^-1）	310	655	1 000
B	0.5	0.8	1.1
C/（mA·cm^-2）	2	4	6

表3 响应面实验结果

Table 3 Experimental results of response surface methodology

序号	A/（mg·L^-1）	B	C/（mA·cm^-2）	D/%
1	655	0.5	6	98.68
2	655	1.1	6	96.77
3	655	0.8	4	97.88
4	1 000	0.8	2	97.72
5	310	0.5	4	86.32
6	655	0.5	2	93.1
7	655	0.8	4	98.38
8	655	0.8	4	98.02
9	310	1.1	4	82.24
10	310	0.8	6	94.57
11	655	0.8	4	97.46
12	1 000	1.1	4	93.37
13	1 000	0.5	4	96.85
14	310	0.8	2	81.16
15	1 000	0.8	6	98.33
16	655	0.8	4	97.7
17	655	1.1	2	90.5

表4 Box-Behnken方差分析结果

Table 4 Box⁃Behnken analysis of variance results

来源	平方和	自由度	均方差	F 值	P 值
模型	518.92	9	57.66	156.01	<0.000 1	显著
A	220.29	1	220.29	596.08	<0.000 1
B	17.91	1	17.91	48.46	0.000 2
C	83.01	1	83.01	224.62	<0.000 1
AB	0.090 0	1	0.090 0	0.2435	0.636 8
AC	40.96	1	40.96	110.83	<0.000 1
BC	0.087 0	1	0.087 0	0.2355	0.642 3
A²	106.01	1	106.01	286.86	<0.000 1
B²	42.45	1	42.45	114.87	<0.000 1
C²	0.023 5	1	0.023 5	0.0637	0.808 0
残差	2.59	7	0.369 6
失拟项	2.11	3	0.703 0	5.88	0.059 9	不显著
纯误差	0.478 1	4	0.119 5
总离差	521.51	16

图9 响应面三维立体图

Fig. 9 Response surface 3D stereogram

图10 阴极沉积物的SEM

Fig. 10 SEM image of cathode deposits

图11 阴极沉积物EDS

Fig. 11 EDS image of cathode deposits

表5 阴极沉积物EDS结果

Table 5 EDS results for cathodic deposits

元素	原子序数	质量分数/%	原子数分数/%	平均误差/%
共计		100.0	100.0
O	8	48.73	55.64	2.57
Ca	20	30.76	14.02	0.75
C	6	19.40	29.51	0.95
Mg	12	1.02	0.76	0.05
Si	14	0.09	0.06	0.01

图12 阴极沉积物XRD

Fig. 12 XRD pattern of cathode deposits

图13 稳定性实验

Fig. 13 Stability experiment

参考文献 30

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