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循环水处理问题:电化学法水处理技术的研究

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浏览:- 发布日期:2017-09-13 08:10:00【

循环水处理问题:电化学法水处理技术的研究  

随着化学、农药、医药卫生、有机、食品等行业的迅速发展,世界各国的污水排水总量也有着急剧的增加。由于相关行业排放的污水内,含有较多的高浓度、高毒性的、高色度的成分,这些成分极难自然降解,往往会造成非常严重的水环境污染。

    对于这类污水的处理,一般采用的技术有物理法、化学法以及新近推广的生物法等。

    由于处理原理的不同,物理法、化学法容易引起再次的污染;而生物法污水处理技术从经济性、处理效率等方面,具有明显的优势,是目前世界各国应用最为广泛的处理方法。

    生物技术能够高效的将污染成分转化成无机物或者矿物质等。然而,生物技术对于多芳香烃及其衍生物等污染物成分的处理上并不有效,很难达到理想的处理效果。因此,生物污水处理法在这方面临着较大的困难。可喜的是,近年来,国内外科学家提出好完善了一种所谓高级氧化技术方法,这种方法通过综合利用光、声、电、磁或无毒试剂催化氧化技术进行有机污水的处理,得到了良好的效果。高级氧化技术法能够处理之前较难降解且对生物环境危害较大的有机污染物成分,从而成为当前污水处理研究和应用的前沿。

其中,技术作为高级氧化技术的一种,同样受到国内外科学家的广泛关注和认可。

 

顾名思义,所谓电化学水处理技术,其基本原理就是根据氧化还原反应的原理,在电极上发生直接或者间接的电化学反应,从而将污染物从废水中减少或去除,由此一般将电化学水处理分为直接电解和间接电解法两种。通过电解法,所产生的污染能够在电极基础上,被直接氧化或者还原,进而能够将这些污染物在废水中降解。

 

直接电解包含以下两种类型:

    第一,阳极过程。在电解污染物的过程中,通过阳极的表面氧化反应,毒性较小的生成物逐渐生成,或者一些比较容易降解的物质得以生成,甚至可以促使有机生物发生无机化,从而污水处理的目的就得以实现。

    第二,阴极过程。在电解污染物的过程中,通过阴极的表面还原作用,使其得以去除。在回收利用重金属、还原卤代烃和脱卤等方面,其所发挥的重要作用是无可替代的。

 

所谓间接电解法,就是将产生于电化学反应过程中的氧化还原物质,作为反应剂或者催化剂,促进污染物逐渐转化为毒性较小的物质。

间接电解可以划分为以下两种过程:

    第一,可逆过程。所谓可逆过程是指电解过程中的氧化还原物可以通过电化学反应再生和循环使用。

    第二,不可逆过程。在电解过程中,可以通过不可逆电化学反应的生成物,还可以通过电化学反应产生强氧化的中间体

 

    20世纪60年代初期,电力工业的发展速度越来越快,人们开始对电解法引起重视。之前的电解反应容器,通常运用二维平板电极,但是这样的反应器在传质上存在一定问题,电极面积较小。而在工业生产中,要求有高的电极反应速度,所以客观上需要开发新型、高效的电解反应器。

 

    综上所述,电化学水处理技术是指在特定的电化学反应器内利用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,对污染物较小降解转化,从而达到污水净化和处理的目的。相比传统的水处理技术而言电化学水处理系统的设备相对简单,系统占地面积较小,设备操作及维护费用较低,同时该方法能够有效避免二次污

染,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。

    在这样一个严峻的社会现实下,电化学水处理技术得到了很好的发展与使用,应用前景非常广阔。

 

1 电化学水处理技术的优点

    1)电化学水处理技术具有多功能性,电化学法不仅能够通过电化学的氧化还原反应原理使毒物降解、转化,还可通过该方法处理水体内的悬浮物或胶体体系的相分离,因此电化学技术具有多功能性,从而扩大了该方法的可选择性,使电化学法在废水、废气、有毒物处理等多方面发挥作用。

    2)电化学水处理技术具有高度的灵活性。由于电化学技术包括了气浮、絮凝、杀菌等多种净化水的功能,因此必要时可通过该技术同时发挥阴极、阳极的作用。因此,电化学法既可以作单独处理工艺使用,也可以与其他处理工艺相结合。举例来说,我们可通过电化学作为前处理技术,将较难降解的有机物、生物毒性污染物等,通过前处理技术转化为可生物降解物质,从而提高废水的可生物降解性。

    3)电化学水处理技术具有易于控制性的特点。电化学水处理的反应过程一般在常温常压下进行,不需要其他特殊条件,且电化学反应过程的主要运行条件是易于控制和测量的电流和电位。我们可以通过自动控制技术将整个反应过程实现自动化,生产过程非常简单。

4)电化学水处理技术具有经济性的特点。一般来说电化学水处理的系统设备相对简单,设备占地面积相对小,设备效率也非常高,设备的操作、维护、维修等相关费用也非常低廉。设计合理的系统,其能量效率也比较高,因此,操作与维护费用低,因此电化学法水处理技术非常适用于人口拥挤城市的污水处理领域。 在最近几年中,电力工业得到了迅猛发展,电化学污水处理技术也成为电力领域中不可或缺的一种新型技术。比较普通的物理法、化学法的水处理方法,电化学水处理技术所展现出来的优点十分广泛,同时在国内外都得到了较大程度地关注和应用。尤其是在开发电极材料、研制反应器以及改进传统电化学工艺过程中,都能够发挥极其重要的作用和意义。

 


2 电化学废水处理技术研究

 

2.1 电凝聚法水处理技术

电凝聚水处理法也就是所谓的电气浮法,这种方法通过利用外电压作用下产生的可溶性阳极产生阳离子体,阳离子能够对胶体污染物发生凝聚效应,而电压作用下的阴极同时能够析出大量氢气,氢气在上浮的过程中能够将絮体上浮,电凝聚法就这样通过阳极的凝聚和阴极的絮体上浮实现污染物的分离和水的净化。电凝聚水处理技术在应用时一般使用的铝或者铁作为阳极,但考虑到该方法在水处理过程中需要消耗较大的电能和金属材料,因此并未广泛推广应用。但我们有理由相信,随着技术的发展,新材料的出现以及能源利用效率的提高,电凝聚法能够越来越多的在实际中应用。

 

2.2 电化学氧化法水处理技术

    电化学氧化法水处理技术与电凝聚法的原理不同,这种方法利用电场中电磁效应,将水中具有电化学活性的有机污染物官能团的活性改变,从而引起有机物官能团的结构、化学性质等的变化。甚至某些情况下能够降低有机污染物的毒性,这样就大大增强了生物可降解性。

2.3 电沉积水处理技术

根据化学原理,一般电解液中存在不同的金属离子,导致溶液内存在电势差,这些离子可以通过自由态或结合态的溶解性金属在阴极析出。电沉积水处理法根据这种原理,能够将污水中的金属离子通过这种无害的反应收回,非常绿色环保。通过电沉积法进行污水处理的关键在于选择合适的电势。因此,电沉积法水处理设备的核心往往在于设计合理高效的新型电极结构电解槽。这样,我们就能够水体中的不同污染物和不同生产状况,选择不同的电解槽进行处理。


2.4 内电解法水处理技术

    内电解法原理同样比较简单,这种方法是通过利用铁离子的一些还原性进行污水处理

具体来讲,就是有较强还原性的Fe2+离子,能够将废水中某些具有氧化性质的成分还原;另外可以利用Fe(OH)2絮凝性进行水处理;活性C具有吸附作用,可吸附有机物及微生物;因此,内电解法就是通过铁-碳构成的原电池产生微弱电流,对微生物的生长和代谢具有刺激作用,从而达到以废治废的目的。内电解水处理法的最大优点在于不消耗能源,而且该方法能够将污水中的多种污染成分和色度去除,同时能提高难降解物的可生化性。在工程应用中,内点解法必须的内电解柱内的往往使用废铁屑和活性炭等材料作为填充物。但考虑到该方法的一些缺点,内电解水处理技术一般作为其他水处理技术的预处理法或者补充方法结合使用,从而提高废水的可处理性和可生化性,为进一步的水体净化创造便捷的条件。内点解水处理法最大的缺点是反应速度比较慢,反应器易阻塞,处理高浓度废水比较困

2.5 电渗析水处理技术

电渗析(ED)是在直流电场作用下,利用荷电离子膜的反离子迁移原理从水溶液和其他不带电组分中分离带电离子的膜过程,是一个以电位差为推动力的膜分离过程。在电渗析器内设置多组交替排列的阴、阳离子交换膜,在直流电场作用下,阳离子穿过阳膜向负极方向运动;阴离子穿过阴膜向正极方向运动。这样就形成了去除水中离子的淡水室和浓缩离子的浓水室,将浓水排放,得到的淡水即为去盐水。这一过程就是电渗析除盐的原理。

电渗析技术的特点:

1)过程无相变,仅用电能来迁移水中的离子,在一定的含盐量条件下,电渗析被认为是能耗较少的技术;

2)工艺过程洁净,药剂耗量少,污染环境小;

3)装置设计与系统应用灵活,操作维修方便;

4)原水回收率较高,一般能达到6580%

5)预处理简便,设备经久耐用。

2.6 其他电化学水处理方法

电化学水处理方法不仅在前述的几方面发挥作用,而且在其他方面也发挥着极其重要的作用,这些方法都可以在水处理中达到良好效果,具有清洁化的特点,可以有效促使水环境污染现象的出现,在最近几年的工业废水处理中是十分常用也是十分有效果的方法。水中低浓度的有机物和其他物质可以通过电吸附发进行有效分离;在环保开发应用过程中,离子交换辅助电渗析法凭借着自身所具备的多样化设计、适用范围广等优点倍受关注;物质的有效分离,可以利用电化学膜分离技术通过膜两侧的电势差得以实现,通常情况下在气态污染物的分离中发挥积极作用。  

3 电化学法在其他污染物废水处理中的应用

3.1 持久性有机污染物污水的处理技术

    水污染物种往往存在一些较难处理的持久性有机污染物,这些物质的处理较为困难。电化学水处理技术的出现改变了这种现状。

例如,电化学氧化水处理技术能够利用具有电催化活性一些材料,这些材料能形成氧化能力极强的羟基自由基(-OH),羟基自由基在化学反应中,可以使持久性有机污染物发生分解,高效的将其转化为无毒的、容易讲解的物质。

同时该方法还能够将持久性有机污染物完全矿化,生成二氧化碳或碳酸盐等物质。

电化学氧化水处理技术应用于污水处理中,能够有效处理持久性有机污染物,从而弥补了其他水处理技术在这方面的不足和缺点,同时提高了水处理的质量和效率,提高了污水处理的经济性。电化学氧化污水处理技术在生产过程中,阳极表面能起到吸附、催化、氧化等多种转化功能。羟基自由基能够甚至能够使低浓度的持久性有机污染物得到处理。

在实际应用中,考虑到废水电导率很低,为了增强溶液导电性,我们一般还需要加入强电解质(如氯化钠、硫酸钠),从而提高处理效率和处理质量。

3.2 酚类污染废水的电化学处理技术

近年来国内外对于含酚废水的研究关注度很高,因为含酚废水的处理一般较为复杂,且效率不高。同时含酚废水的来源广、污染重。通过电化学氧化水处理技术,能够对这类污水进行有效处理。影响含酚废水的处理的因素包括苯酚初始浓度、废水pH值、电流密度、支持电解质种类等。周明华等[4]以经氟树脂改性的β-PbO2为阳极,处理含酚模拟废水,在电压为7.0 VpH值为2.0的条件下,其COD可降至60 mg/L以下,挥发酚可完全去除。

3.3 硝基苯类化合物污染废水的电化学处理技术

硝基苯类化合物属于生物难降解物质,在污水处理中具有较大的难度。提出用电化学催化系统处理此类废水,能够达到良好的效果。我们一般以DSA类电极作为阳极,对模拟硝基苯废水进行处理。在已有的相关实验结果中可以发现,在选择合适的电流密度为后硝基苯类化合物的去除率非常客观,甚至能够达到90%以上。因此,利用电化学法对此类污水进行处理具有良好的应用前景。

3.4 重金属离子污水的电化学法处理

重金属离子污染的危害性较强,往往导致严重的环境污染,因此重金属离子污水的处理一直是科学家关注的热点。电化学法在此类污水的处理领域也有较多的探索和应用,主要的应用方法是电沉积法。电沉积法的三维电极与传统的二维电极相比具有明显的优势,三维电极能够增加电解槽的面体比,同时增大物质传质的速度,提高电流效率和处理效果。在实际中,利用三维电极处理含铜离子和汞离子污染的重金属废水取得过较好的效果。

3.5 与其他技术相结合的废水处理方法

    电化学水处理法同样能够与其他方法结合使用,从而大大提高污水处理的效率和处理质量,这是学界研究的重点方向。研究较多的主要是电化学法与生物法结合后的污水处理技术。将这两种方法进行结合后,水中的多种污染物能在生物技术和电化学技术的共同处理中,被有效的降解和处理。值得一提的是,电化学反应过程产生的微弱的电流,能够有效刺激微生物的代谢活动,从而促进生物处理的效率。因此,这两种方法的结合在处理难生物降解污水、电解不彻底的废水处理等方面具有其他方法不可比拟的优点。

4 结 语

总而言之,有机物的降解过程中,电化学水处理技术发挥着较大的作用,其应用范围会越来越广泛,并逐渐得到越来越多机构的青睐。目前,一些研究人员针对新电极材料、膜、电解质、反应器结构的一系列研究开发,对于电化学水处理技术的研究发展而言,发挥着重要的基础性作用。坚信,在不断完善和调整电化学理论的前提下,电化学水处理技术必定可以在环境保护领域中发挥巨大作用,同时也可以在废水处理方面取得较大成就。

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