电化学水处理技术的研究与应用区尧万

广东化工2008年第7期·104·期电化学水处理技术的研究与应用区尧万，陈欣义，陈彬，赖日坤，陈国辉，张鹏（广东新大禹环境工程有限公司，广东广州510660）[摘要]电化学水处理技术，由于其设备小、占地少、运行管理简单和处理效果好等优点，日益受到人们的重视。寻求节能高效的电化学水处理技术与设备已成为电化学应用技术研究的重要方向。电化学水处理技术是一种环境友好型技术，文章介绍其基本原理和优点，主要对其研究与应用进行了阐述，并简单概述了节省电凝聚气浮法处理废水的运行费用。[关键词]电化学；废水处理；应用ResearchandApplicationofElectricChemistryTechnologyOuYaowan,ChenXinyi,ChenBin,LaiRikun,ChenGuohui,ZhangPeng(GDXDYEnvironmentalProtectionCo.,Ltd.,Guangzhou510660,China)Abstract:Theelectricchemistrywatertreatmenttechnologyisvaluedbypeopleincreasingly,becauseithastheadvantagesofsmallerequipment,lesslandoccupation,simpleoperationmanagementandbettertreatmenteffect.Seekingenergysavingandhighefficiencyelectrochemistrywatertreatmenttechnologyandequipmenthasbeentheimportantdirectionofapplicationtechnologyresearchonelectrochemistry.Electricchemistrywatertreatmenttechnologywasakindofenvironmentfriendlytechnology,thebasicprinciplesandadvantagesofelectricchemistrywatertreatmenttechnologywereintroducedinthepaper,theresearchandapplicationofmainelectricchemistrywatertreatmenttechnologieswereelaborated,theelectricalcoagulategasfloatationprocesswhichcansaveelectricityandoperationcostwassimplysummarized.Keywords:electrochemistry；wastewatertreatment；application电化学处理方法是指在特定的电化学反应器内，通过设计的电极反应以及由此而引起的一系列的化学反应、电化学过程或物理过程，达到污染物降解转化的目的。电化学系统设备相对简单，占地面积小，操作维护费用较低，能有效避免二次污染，而且反应可控程度高，便于实现工业自动化，被称为“环境友好”技术[1-5]。1电化学水处理的基本原理电化学水处理技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或间接电化学转化而从废水中减少或去除。它可分为直接电解和间接电解。1.1直接电解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，甚至发生有机物无机化，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。[收稿日期]2008-5-19[作者简介]区尧万(1976-)，男，广东广州人，技术中心总监，中级职称，主要研究方向为水处理。2008年第7期广东化工第35卷总第183期·105·1.2间接电解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，还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体，包括溶剂化电子、·HO、·HO2等自由基。2电化学水处理的主要技术方法及其运用电化学废水处理技术主要包括：电凝聚气浮法、微电解法、电化学氧化法、电渗析法、电吸附法。下面分别介绍它们的基本原理及研究应用情况。2.1电凝聚气浮法电凝聚气浮法是采用可溶性阳极(Fe，Al等)，生成Fe2+、Fe3+、A13+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，以去除水中的污染物。同时，阴极上产生大量的氢气微气泡，阳极上产生大量的氧气微气泡，与絮凝污物一起上浮并从废水中除去。其电极上的基本反应是：阳极氧化：2Fe2eFe+−→2(FeFe)0.440V/Eθ+=−3Fe3eFe+−→3(FeFe)0.037V/Eθ+=−阴极还原：22H2eH+→2(HH)0.000V/Eθ+=−主反应：222Fe2HOFe(OH)H+→+2324Fe10HO4Fe(OH)4H+→+影响电凝聚气浮法处理效果的因素包括废水的物理化学性质与电化学参数。前者主要有pH、电导率、阴离子种类和数量、阳离子种类和数量、水温等；后者主要有电极材料、电流密度、极间距、外加电压以及电解时间等。崔延瑞等[6]采用电凝聚气浮法处理卫河水，当COD浓度为977.6mg/L，浊度为140.7NTU，色度大于2000时，处理的最佳工艺条件为：电流强度1.5A、pH为6~8、电解时间20min。COD浓度的去除率最高达到94%，浊度去除率可达83%。电凝聚气浮法在有效去除有机物的同时，能高效脱色，脱色率可达96%以上。处理后水的浊度、色度、COD浓度等均达到国家排放标准。陈彬等[7-8]将脉冲电源和直流电源分别作为电凝聚气浮法处理厨房废水的外加电源，试验探明其对废水电解处理的电能消耗和COD去除率的影响，并分析废水脉冲电解处理节能高效的原因。试验结果表明，脉冲电流占空比60%，频率1000Hz相对直流电流能够更加有效减缓电极的极化，降低电极过电位，使电能消耗降低15%～35%；在脉冲电凝聚气浮法处理废水过程中电流效率稳定、Fe2+能够有效扩散到废水中，使去污效果增强5%～7%。2.2微电解法微电解法又称为内电解法，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，负极上发生化学反应，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。微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：2Fe2Fee+−→，2E(FeFe)0.440V/θ+=−阴极：22H22HHe+→•→，2(HH)0.000V/Eθ+=−(在酸性或偏酸性溶液中)当有O2时：224H4HOOe+−++→，22E(O/HO)1.22Vθ=22O2HO44OHe−−++→，2(/)0.41VOOHEθ−=(在中性或碱性溶液中)在阴极产生的新生态Ｈ·具有较高的化学活性，可将部分大分子有机物转化为小分子，提高了废水的可生化性。微电解技术在废水处理中的应用可分为两个方面，一是单独作为一种处理方法氧化有机废水；二是与其它方法联用，比如Fenton法、混凝法、生物法等。张涛等[9]采用铁屑微电解法处理水性油墨废水，研究结果表明：铁屑微电解处理的最佳工艺条件为反应时间60min、pH为4.0、铁屑用量10%、焦炭用量占填料质量的16.6%，水性油墨废水的处理效果较好，色度去除率可达90%以上，COD去除率在50%左右。段宁等[10]对两步曝气微电解—絮凝沉淀工艺处理高浓度化工废水进行了中试研究，结果pH由偏酸、偏碱性调整至中性，矿化度降低44%；两步微电解COD去除率为45%，絮凝沉淀COD去除率49%，COD总去除率达72%；废水可生化性由0.18提高到0.38，为后续生化处理工艺奠定了良好基础。贾仁勇等[11]针对DSD酸生产废水温度高，可生化性差，氨氮含量高，难于进行生化处理的特点，采用氧化-微电解-吹脱的工艺进行处理，效果良好。在进水COD和氨氮的平均质量浓度分别为530、320mg/L，色度为180倍时，处理后出水COD和氨氮的平均质量浓度分别为150、30mg/L，去除率分别达到71.7%和90.6%，广东化工2008年第7期·106·，出水可达到GB8978—1996所规定的二类水质的要求。2.3电化学氧化法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研究与工程应用，并取得良好的效果。刘珊等[12]采用电化学氧化法处理生活污水，探讨了电解质浓度、电流密度、pH、反应温度、不同电极等对COD、浊度的影响。实验表明，处理水中COD、浊度的最佳条件是：电解质浓度为45g/L，pH为8，电流密度为60mA/m2，温度为22℃，阳极为RuSn电极，阴极使用不锈钢电极，此时COD去除率达86.2%，浊度去除率达80%，悬浮固体去除率和细菌去除率94%和99%。刘咏等[13]研究了用Ti/RuO2-IrO2三元电极作阳极电解处理人工合成苯酚废水时Cr-初始浓度对处理效果的影响。结果表明，在一定的电解时间范围内苯酚在阳极上的电化学氧化符合一级动力学关系；废水中Cr-的初始浓度越大，苯酚完全被电化学氧化所需的时间也越短，其表观速度常数越大，电解中间体的生成和降解速率也越大。采用HPLC、GC/MS等方法鉴定出苯酚在Cr-体系下降解的中间产物主要有4-氯苯酚，1-氯苯酚，2,4-二氯苯酚，2,6-二氯苯酚，2,4,6-三氯苯酚各种短链脂肪酸及氯代醇等；最终产物是CO2、CHCl2和CHCl3。2.4电渗析法电渗析(ED)技术是膜分离技术的一种，它是将阴、阳离子交换膜交替地排列于正负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成除盐(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。电渗析设备主要由电渗析器本体和辅助设备两大部分组成。电渗析器本体又可分成为膜堆、极区和夹紧装置三部分，膜堆是电渗析器核心部分。辅助设备包括整流器，水泵，流量计，过滤器，水箱和仪器仪表等。目前为止电渗析技术主要有无极水电渗析技术，无隔板电渗析器，卷式电渗析器，填充床电渗析技术，液膜电渗析，双极膜电渗析技术等。Davy[14]和Paleologon[15]等提出了电渗析与传统碱回收系统相结合的生产流程，处理稀黑液得到碱和木质素。李浔等[16]在由双极膜和阴离子交换膜组成的两室双极膜电渗析装置中，研究了生物质水解液糖、酸分离和酸回收的过程性能。考察了不同膜对、进料浓度、电流密度、处理室循环流量及操作温度等因素对于处理水解液过程中的电流效率和平均功耗