交變脈沖電源下的電絮凝研究

（上海百圖高新材料科技有限公司 上海 201206）

隨著社會(huì)技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)于水資源的需求日益劇增。但地球生態(tài)環(huán)境中水資源的總量是有限的，其中淡水資源尤其短缺，只有2.7%的水可供人飲用的淡水[1]。為了有效的提升水資源利用率，人類(lèi)一直以來(lái)對(duì)于水資源的重復(fù)利用都予以高度重視，因此各種水污染控制手段層出不窮。

電絮凝是一種典型的電化學(xué)處理技術(shù)，其具有污泥產(chǎn)生少，無(wú)需化學(xué)添加劑，占地面積小且不影響水質(zhì)等特點(diǎn)[2]，因而也被認(rèn)為是一種“環(huán)境友好技術(shù)”，同時(shí)也被認(rèn)為是最有可能產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)之一[3]。但電絮凝又不單是簡(jiǎn)單的電化學(xué)處理，因?yàn)槌姌O反應(yīng)外，其在陰陽(yáng)兩極所產(chǎn)生的氣體還需有氣浮的作用，其產(chǎn)生的溶解性Fe離子或Al離子同時(shí)又可以與水中的水合氫氧離子反應(yīng)形成混凝效果，因此，電絮凝一般被認(rèn)為是一種集混凝、氣浮、電化學(xué)于一體的新興水處理技術(shù)。

電絮凝設(shè)備施加電源的種類(lèi)包括直流電源和脈沖電源[4-5]。電絮凝設(shè)備采用脈沖電源時(shí)，能耗明顯降低，而且脈沖電壓的加入使電極反應(yīng)斷續(xù)進(jìn)行，防止電極鈍化，且有利于減少濃差極化。另外，當(dāng)絮凝槽電極施加電場(chǎng)定時(shí)換相時(shí)，可以從兩極產(chǎn)生陽(yáng)離子，且由于兩極極性的周期性變化，也對(duì)防止電極鈍化有積極作用。

1.裝置與方法

(1)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用電絮凝裝置采用自行設(shè)計(jì)定做的電絮凝裝置。外殼容器為UPVC板加工而成，內(nèi)部通過(guò)極板插入的方式以實(shí)現(xiàn)極板分格。除接觸電極外，中間插入若干塊誘導(dǎo)極板。如圖1所示。電絮凝設(shè)計(jì)流量1m3/h。

電絮凝電源選用交變脈沖直流電源，其電源輸出為方波波形，波形脈沖頻率可調(diào)。電源支持設(shè)定的正負(fù)極轉(zhuǎn)換操作。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

(2)實(shí)驗(yàn)方法

以鐵板作為絮凝電極板，每次實(shí)驗(yàn)之前將鐵板進(jìn)行酸洗處理后使用。通過(guò)投加硫酸鈉鹽，調(diào)節(jié)進(jìn)水水樣中的電導(dǎo)值至實(shí)驗(yàn)設(shè)定電導(dǎo)值，手動(dòng)測(cè)定進(jìn)水中的pH、ORP。然后調(diào)節(jié)進(jìn)水流量為1m3/h。啟動(dòng)電絮凝電源，觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出水的pH、ORP、電導(dǎo)隨時(shí)間的變化。待穩(wěn)定后，記錄出水pH、ORP、電導(dǎo)、電源輸出電流數(shù)據(jù)、電極板正負(fù)極實(shí)際電壓值。同時(shí)對(duì)進(jìn)出水進(jìn)行取樣，測(cè)定進(jìn)出水的Fe離子濃度，通過(guò)一定過(guò)水總量下鐵溶出的總量。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)電源輸出旋鈕控制電流輸出值；通過(guò)硫酸鈉鹽溶解量控制水體電導(dǎo)；通過(guò)改變接電電極的插入位置從而調(diào)整電極之間的間距。

依據(jù)電化學(xué)原理，極板溶出物應(yīng)遵循法拉第定律，見(jiàn)式（1）。

式中：I為電流A；t為操作時(shí)間，s；Mw為分子量，g/mol；m為陽(yáng)極溶解質(zhì)量，g；F為法拉第常數(shù)，96.485C/mol；z為參與反應(yīng)的電子數(shù)。

通過(guò)實(shí)際電流輸出值及溶出總鐵量，計(jì)算實(shí)際電流效率。

(3)分析方法

分析方法及分析儀器見(jiàn)表1。

表1 分析方法一覽表

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

(1)不同電導(dǎo)率溶液對(duì)電流效率的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制電源脈沖頻率為30Hz，控制模式選定為恒流模式。極板間距為47mm。配置不同溶液電導(dǎo)，調(diào)整電源輸出電流分別為25A、50A和80A。

在實(shí)驗(yàn)條件下，電流值越低，其溶出鐵量越少，符合法拉第定律。同時(shí)，隨著溶液電導(dǎo)率條件變化，溶出鐵量逐步增加。隨著溶液電導(dǎo)率的增加，電解槽的電流效率逐漸增加。在較低的電導(dǎo)溶液條件下，溶液本身的電阻值相對(duì)較高，接電電極兩端的電勢(shì)差也就越高，當(dāng)其高于鐵元素反應(yīng)電勢(shì)式，將會(huì)與水中的離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而降低電絮凝的電流效率。

當(dāng)溶液電導(dǎo)率達(dá)到6.5mS/cm以上時(shí)，系統(tǒng)的電流效率才可能達(dá)到90%以上?？紤]到電流損耗會(huì)影響電化學(xué)系統(tǒng)的能源消耗水平，在工業(yè)上使用，應(yīng)考慮電絮凝技術(shù)盡量使用在電導(dǎo)值超過(guò)6.5mS/cm的水溶液環(huán)境中。

(2)不同電極間距對(duì)電流效率的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制電源脈沖頻率為30Hz。調(diào)控電源輸出為恒壓模式，配置不同溶液電導(dǎo)，調(diào)整接電電極板間距分別為5mm、19mm和47mm。

溶液電導(dǎo)值為0.3mS/cm時(shí)，19mm與47mm鐵溶出極低。也就意味著在此間距條件下，溶液本身電阻值已經(jīng)嚴(yán)重影響連接電路的電流。有效電流的降低導(dǎo)致實(shí)際鐵溶出顯著減少。而5mm間距的極板條件，系統(tǒng)的電流值仍可維持在一個(gè)較高值，鐵溶出反應(yīng)更為明顯。

在實(shí)驗(yàn)條件下，隨著溶液電導(dǎo)增加，整體的電流效率也呈現(xiàn)逐步增高的趨勢(shì)。但在不同電導(dǎo)值溶液內(nèi)電流效率的變化并不完全趨同。在低電導(dǎo)溶液條件下，47mm極板間距的電流效率明顯小于另外兩組條件。而在2.5mS/cm條件下，19mm和47mm都出現(xiàn)了一個(gè)顯著的峰值。

從高電導(dǎo)條件（大于6.8mS/cm）下來(lái)看，19mm極板間距的電流效率最高，47mm極板間距的電流效率最低。這也意味著在電解槽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在特定電解質(zhì)溶液中，電極板的間距設(shè)計(jì)應(yīng)該存在一個(gè)優(yōu)化合理值，過(guò)大或過(guò)小都不利于電絮凝反應(yīng)。

(3)電源倒極操作的影響

倒極操作選用1mS/cm的溶液，電源模式選定為恒流模式，電流控制值為1A，極板間距為61mm。

當(dāng)每次倒極操作時(shí)，電壓都會(huì)出現(xiàn)顯著的階躍。此現(xiàn)象應(yīng)與倒極后平行板電極出現(xiàn)容抗有關(guān)。隨著倒極完成，電壓在60s內(nèi)方能趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定期內(nèi)電壓變化很小。

值得注意的是，雖然實(shí)驗(yàn)只運(yùn)行較短的時(shí)間，但每次倒極后穩(wěn)定期的數(shù)值較上一周期的數(shù)值有所增高。

(4)電絮凝的功耗水平

電絮凝作為一種新型的水處理技術(shù)，僅消耗電能即可完成水質(zhì)中的污染物凈化，但在實(shí)踐過(guò)程中，常常因?yàn)槠涫褂霉妮^高而備受詬病。為了了解電絮凝的能源消耗以及處理成本，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同電導(dǎo)率溶液條件下的功耗水平進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。

控制進(jìn)水流量為1m3/h，通過(guò)電源輸出電流與實(shí)測(cè)槽電壓計(jì)算實(shí)際功耗。

整體來(lái)看，隨著溶液的電導(dǎo)率增加，同樣電流條件下的功耗水平呈下降趨勢(shì)，而且當(dāng)整體過(guò)程中，功率消耗可低于500Wh/m3。不過(guò)當(dāng)溶液電導(dǎo)率增長(zhǎng)至4.2mS/cm以上時(shí)，其功耗水平基本保持穩(wěn)定，小于300Wh/m3。隨著電流輸入的增加，功耗水平也是成對(duì)應(yīng)的增加關(guān)系，并未因?yàn)殡娏餍实淖兓霈F(xiàn)明顯功耗升高。

由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同輸入電流條件，水中溶出鐵量并不盡相等，因此在電絮凝工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)追求同等溶出量下的低電流運(yùn)行條件。

3.結(jié)論

（1）在交變脈沖直流電場(chǎng)條件下，以鐵作為電絮凝發(fā)生極板，其鐵絮體溶出符合法拉第定律；

（2）當(dāng)溶液電導(dǎo)率達(dá)到6.5mS/cm以上時(shí)，系統(tǒng)的電流效率方能達(dá)到90%以上；

（3）在低溶液電導(dǎo)條件下（小于2mS/cm），電解電流值越低，電流效率也越低。而當(dāng)溶液突破一定的電導(dǎo)率條件值后（2.5mS/cm），不同電流條件下其電流效率相對(duì)較為接近；

（4）在特定電解質(zhì)溶液中，電極板的間距設(shè)計(jì)應(yīng)該存在一個(gè)優(yōu)化合理值，過(guò)大或過(guò)小都不利于電絮凝反應(yīng)；

（5）倒極操作過(guò)程會(huì)在初期產(chǎn)生容抗，而導(dǎo)致電壓增加，間接增加能耗水平；而且每次倒極后電壓值較上一周期有所增高，呈現(xiàn)出電極鈍化現(xiàn)象；

（6）當(dāng)溶液電導(dǎo)率達(dá)到4.2mS/cm以上時(shí)，其功耗水平可小于300Wh/m3。