电化学水处理技术

电化学水处理技术电化学水处理技术的分类按作用机理分类直接电解间接电解阳极过程阴极过程可逆过程不可逆过程直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除。直接电解可分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除，主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性更小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H2O2和O3等氧化有机物的过程。按技术方法分类电气浮法电化学氧化法内电解法电渗析法电吸附法1、电气浮法电气浮法也叫电凝聚法或电凝聚气浮法，即在外电压作用下利用可溶性阳极(铁或铝)产生等大量阳离子，通过絮凝生成Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀物，对胶体污染物进行凝聚，以去除水中的污染物。同时阴极上析出大量氢气微气泡，与絮凝污物一起上浮并从废水中除去，从而实现污染物的分离。气浮池平流式气浮池竖流式气浮池气浮装置电气浮法中，通常采用的阳极材料为金属铝或铁，由于该方法在消耗铝材的同时还消耗大量的能源，因而它的应用受到了一定的限制。当前的发展方向是通过改进电源技术、研究新型电极材料及结构，使电能消耗和材料消耗进一步降低。电气浮法的局限性和发展方向2、电化学氧化法电催化氧化是通过阳极反应直接降解有机物，通过阳极和催化材料反应产生的超氧自由基（•O2）、H2O2、羟基自由基（•OH）等一类活性基团来氧化降解水体中的有机物。该方法具有有机物氧化彻底，不易产生有毒中间产物，无二次污染等优点。电化学氧化原理是：有机物的某些官能团具有电化学活性，通过电场的强制作用，官能团结构发生变化，从而改变了有机物的化学性质，使其毒性减弱以至消失，增强了生物可降解性。电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种，属于阳极过程。直接氧化是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质；间接氧化则是通过阳极反应产生具有强氧化作用的中间物质或发生阳极反应之外的中间反应，使被处理污染物氧化，最终转化为无害物质。对于阳极直接氧化而言，如反应物浓度过低会导致电化学表面反应受传质步骤限制；对于间接氧化，则不存在这种限制。在直接或间接氧化过程中，一般都伴有析出H2或O2的副反应，但通过电极材料的选择和电势控制可使副反应得到抑制。电化学氧化技术在生活污水和工业废水的处理中已有一定的应用，并取得良好的效果。电极在电氧化技术中处于“心脏”的地位，我们希望电极对所处理的物质表现出高的反应速率，且具好的选择性，则电氧化电极应具有良好的导电性、高的催化活性和良好的稳定性。目前常采用的电极仍然是石墨、铝板、铁板、不锈钢和一些不溶性电极如PbO2及一些贵金属电极如Pt等。石墨电极强度较差，在电流密度较高时电极损耗较大，电流效率低。而铝板或铁板为可溶性电极，电极本身材料消耗量大，成本高，因此产生的污泥量也大。不溶性电极PbO2的氧化能力虽然高于石墨电极，鉴于目前用于有机废水氧化降解处理中时间长、效率低，而且电极容易因污染而失活，电极材料种类不多且工作寿命不长。电氧化电极改进——复合金属氧化物电极3、内电解法内电解法又称为微电解法，是基于电化学反应的氧化还原、电池反应产物的絮凝、铁屑对絮体的电附集、新生絮体的吸附以及床层过滤的综合作用。微电解法以铁屑和炭构成原电池，污染物在正，负极上生化学反应，加上原电池自身的电附集、物理吸附及絮凝等作用达到去除污染物的目的。微电解法不消耗能源，处理费用低，使用的铁屑多来自切削工业的废料，具有以废治废的意义。铁碳内电解填料内电解法的反应器中堆填铁屑、颗粒活性炭，它们在废水中形成无数个微小的原电池，铁屑为阳极，颗粒炭为阴极，其电极反应为：阳极：Fe-2e→，(/Fe)=-0.440v阴极：2+2e→2H•→H2，(/H)=-0.000V(在酸性或偏酸性溶液中)当有O2时(在中性或碱性溶液中)：O2+4+4e−→H2O，(O2/H2O)=1.22VO2+2H2O+4e−→4，(O2/)=0.41V1.氢的还原作用电极阴极产生新生态氢具有较大的活性，能与废水中某些组分发生还原作用，破坏发色物质发色结构，使偶氮基断裂，大分子分解成小分子，硝基化合物还原为胺基化合物，达到脱色的目的且使废水组成向易生化方向转变。2.铁的混凝作用从阳极得到的离子在有氧和碱性条件下会生成Fe(OH)2和Fe(OH)3。具有强吸附能力的Fe(OH)3胶体吸附废水中的悬浮物、一些不溶物及不溶性染料，使其凝聚沉降。3.铁屑的还原吸附和活性炭吸附作用在弱酸性溶液中，比表面积丰富的铁屑利用其较高的表面活性吸附多种金属离子，促进金属去除。而铸铁是多孔性物质，利用高表面活性吸附废水中有机污染物。活性炭吸附能力强，废水中的固体颗粒易被它吸附。4.电泳作用在微电池周围电场作用下，废水中胶体状态的带电污染物在静电引力和表面能的作用下，向带有相反电荷的电极移动，附集并沉积在电极上而得以去除。作用机理4、电渗析法电渗析(ED)技术是膜分离技术的一种，它是将阴、阳离子交换膜交替排列于正、负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统，在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。①倒极电渗析（EDR），为电渗析的应用前景提供了一个重要方向，根据ED原理，每隔一定时间，正负电极极性相互倒换（频繁倒极），能自动清洗离子交换膜和电极表面形成的污垢、以确保离子交换膜效率的长期稳定性。在废水处理方面的应用有其独到之处，EDR水循环，水回收率最高可达95%，它的服役寿命长，管理简单，与其他方法相比更有竞争力。②填充电渗析（EDI），是将电渗析与离子交换法结合起来的一种新型水处理方法，综合了电渗析和离子交换法的优点，并克服了各自缺点，提高了极限电流密度和电流效率的作用。③高温电渗析，优点在于能使溶液的粘度下降，提高扩散速度，增大溶液和膜的电导，从而可以提高允许密度，提高设备的生产能力或者降低动力消耗，从而降低处理费用。通过实验，高温电渗析对降低能耗的效果是显著的，尤其是对有余热可利用的工厂更为适宜。④双极性膜电渗析（EDMB），由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换膜及两层膜之间的中间层构成。当阳极和阴极间施加电压时，电荷通过离子进行传递，若没有离子存在，电流将由水解电离的和传递。几种常见的电渗析过程电渗析技术的优点是：能量消耗低、药剂耗量少、环境污染小、操作简单、易于实现机械化和自动化、设备紧凑耐用，预处理简单。它的缺点是在运行过程中易发生浓差极化而结垢。电渗析设备5、电吸附法电吸附除盐技术的基本思想就是通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，使离子在双电层内富集，大大降低溶液本体浓度，从而实现对水溶液的除盐。电吸附原理见图，原水从一端进入由两电极板相隔而成的空间，从另一端流出。原水在阴、阳极之间流动时受到电场的作用，水中离子分别向带相反电荷的电极迁移，被该电极吸附并储存在双电层内。随着电极吸附离子的增多，离子在电极表面富集浓缩，最终实现与水的分离，获得净化/淡化的产品水。工作过程示意图在电吸附过程中，电极能快速充放电，而且由于在充放电时仅产生离子的吸/脱附，电极结构不会发生变化，所以其充放电次数在原理上没有限制。当含有一定量盐类的原水经过由高功能电极材料组成的电吸附模块时，离子在直流电场的作用下被储存在电极表面的双电层中，直至电极达到饱和。此时，将直流电源去掉，并将正负电极短接，由于直流电场的消失，储存在双电层中的离子又重新回到通道中，随水流排出，电极也由此得到再生。电极再生过程示意图电极的再生1、耐受性好：电吸附部件使用寿命长(≥5年)，避免了因更换核心部件而带来的运行成本的提高。2、特殊离子去除效果显著电吸附技术对氟、氯、钙、镁离子去除效果尤佳。3、无二次污染：电吸附系统几乎不添加任何药剂，排放浓水所含成分均系来自于源水，系统本身不产生新的排放物。浓水可直接达标排放，无需进一步处理。4、对颗粒污染物要求低：由于电吸附除盐装置采用通道式结构（通道宽度为毫米级），因此不易堵塞。对前处理要求相对较低，因此可降低投资及运行成本。同时，电吸附除盐设备具有很强的耐冲击性。5、抗油类污染：电吸附除盐装置采用特殊的惰性材料为电极，可抗油类污染。电吸附除盐技术已成功应用于炼油废水回用，实践证明了此点。6、操作及维护简便：电吸附系统不采用膜类元件。在停机期间也无须作特别保养。系统采用计算机控制，自动化程度高，对操作者的技术要求较低。7、运行成本低：电吸附技术属于常压操作，能耗比较低，其主要的能量消耗在于使离子发生迁移。与其它出除盐技术相比可以大大地节约能源。其根本原因在于电吸附技术除盐的原理是有区别地将水中作为溶质的离子提取分离出来，而不是把作为溶剂的水分子从待处理的原水中分离出来。电吸附的优势齐鲁石化研究院与爱思特合作，率先建成世界首例千吨级炼油废水再生装置，其污水回用规模为每天2400立方米，平均除盐率为62.3%，达到循环水补水水质要求。经估算，该装置的吨水处理成本仅为0.72元，远低于每吨4元左右的工业用水价格。电吸附除盐系统核心设备电化学水处理技术具有非常广阔的应用前景，在环境保护中占有重要的位置。当前，新电极材料、膜、电解质、反应器结构等的研究开发、电化学降解机理的探究是电化学水处理技术的研究发展趋势。随着电化学理论的不断完善和实验室研究的不断深入，电化学水处理技术必将在环境保护领域中发挥更大的作用，在废水处理方面得到广泛的应用。