電化學(xué)技術(shù)在水處理中的應(yīng)用進(jìn)展

張楠，高山雪，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

當(dāng)今社會中，水資源嚴(yán)重短缺，在工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展的情況下，大量的工業(yè)廢水被產(chǎn)出，又給這種不利狀況帶來了更加嚴(yán)重的問題。因此，工業(yè)費(fèi)水的凈化逐漸變成了目前環(huán)境保護(hù)中亟待解決的一個很重要的問題[1]。電化用水處理技術(shù)一般無需引進(jìn)其他物質(zhì)，反應(yīng)物質(zhì)是電子，它的這一特性從根本上體現(xiàn)了電化學(xué)在處理過程中產(chǎn)生污染較低、綠色環(huán)保的特點(diǎn)[2-3]。反應(yīng)物直接進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)參與反應(yīng)，可參與反應(yīng)的有機(jī)物種類較多，要求較低，同時能量利用效率也得到了提高。電化學(xué)技術(shù)的反應(yīng)裝置簡單易操作，反應(yīng)條件也較溫和，工藝整體較簡單，自動化控制也比較容易實(shí)現(xiàn)，其工業(yè)應(yīng)用前景較明朗[3-4]。

1 電化學(xué)水處理技術(shù)的原理

電化學(xué)技術(shù)處理廢水是一個復(fù)雜的過程，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器中，由于電場的作用，反應(yīng)器中的電子在該作用下會進(jìn)行定向的轉(zhuǎn)移，因此水中的污染物會在其中發(fā)生特定的物理和化學(xué)反應(yīng)，從而被去除[5-7]。物理過程主要包含對污染物的吸附、絮凝和分離，化學(xué)過程可分為直接電解和間接電解。直接電解從字面就可以理解，就是指污染物直接在電極中被還原或氧化，而這一過程又包括了陽極以及陰極這兩種處理過程。當(dāng)反應(yīng)發(fā)生在陽極表面，且污染物被氧化成毒性低、容易被生物降解甚至可以直接礦物化的物質(zhì)，通過這種途徑來使得水中的污染物含量降低或者被徹底去除[8-9]。陰極過程主要用于回收重金屬、還原鹵化烴。其中污染物在陰極表面被減少和消除。間接電解是間接的反應(yīng)，指需要借助強(qiáng)氧化產(chǎn)物或者由電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的中間還原物質(zhì)來對污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化或降解。

電化學(xué)水處理技術(shù)被稱為 “綠色”水處理技術(shù)，因此其與傳統(tǒng)的水處理技術(shù)相比，具有很突出的優(yōu)點(diǎn)。首先，其反應(yīng)裝置構(gòu)造簡單，也比較靈活，既可以單獨(dú)處理污水，也可作為與其他處理技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)預(yù)處理工藝使用；其次，電化學(xué)的處理技術(shù)與其他技術(shù)相比，更加易于操控，其只需控制電流與電壓，更加易于實(shí)現(xiàn)自動化；此外，該技術(shù)不需要特殊的反應(yīng)條件，且常溫常壓就可以實(shí)現(xiàn)，而且其所需投加的藥劑量相較于傳統(tǒng)工藝大大減少，不僅節(jié)省了藥劑投加量，還避免了二次污染[10-12]。

2 電化學(xué)水處理技術(shù)的分類

根據(jù)不同的工作原理和方法，可以主要將水的電化學(xué)處理技術(shù)分為以下幾種：電凝聚、電化學(xué)氧化、電沉積、電吸附、電滲析等[13]。

2.1 電凝聚法水處理技術(shù)

電凝聚水處理技術(shù)也通常被稱為電浮法，主要去除污水中的膠體雜質(zhì)，染色、鍍鋅廢水處理中采用該方法進(jìn)行處理，效果較好[14-16]。其原理是將外部的電壓加在可溶性陽極上，產(chǎn)生陽離子，所產(chǎn)生的陽離子能夠與水中的膠體污染物發(fā)生反應(yīng)，使得穩(wěn)定狀態(tài)的膠體污染物失去其穩(wěn)定性，經(jīng)過凝聚之后沉降，而此時將會有一定數(shù)量的氫氣從電流的陰極被釋放出來，由于氫氣的密度比水小，因此，在上浮過程中，氫可以攜帶沉積污染物至水面。這樣，就可以將污染物和水體分開[17-18]。但這種方法所用的陰極和陽極材料將會溶解，在實(shí)際應(yīng)用中，將會消耗許多的電氣和金屬材料。因此目前無法得到推廣使用[19]。

2.2 電化學(xué)氧化法處理技術(shù)

電化學(xué)氧化水處理技術(shù)主要用于有效地改變水中某些有機(jī)類污染物，使得其官能團(tuán)的功能活性發(fā)生變化，從而使其化學(xué)性質(zhì)也在某一定程度上改變。電化學(xué)氧化技術(shù)在其規(guī)定的條件下，某種程度上可以有效的降低待處理水中有機(jī)污染物的毒性，這也為后續(xù)處理降低了難度，從而使得某些高分子污染物更容易被生物分解[20]。廢水的電化學(xué)氧化處理可分為直接電解和間接電解[19]。直接氧化和間接氧化的分類沒有一個絕對的界線，通常在有機(jī)物在進(jìn)行電化學(xué)分解的過程中，電極上會同時出現(xiàn)這兩種氧化過程，除此之外，實(shí)驗(yàn)條件以及實(shí)驗(yàn)過程中的控制參數(shù)的變化會導(dǎo)致分解機(jī)制發(fā)生不同程度的變化[20]。靳善明采用電催化臭氧技術(shù)處理有機(jī)廢水，將氧化得到臭氧通入電化學(xué)反應(yīng)中，將還原通過產(chǎn)生的過氧化氫和臭氧將難處理的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成無害的水和二氧化碳，取得較好效果[2]。

2.3 電滲析法

電滲析法相較于其他方法操作起來更加方便，這也意味著其維修工作更加簡單，壽命更長[21-22]。電滲析法是在直流電場和離子交換膜的協(xié)同作用下，使得溶液中的離子發(fā)生遷移，從而分離污水中的電解質(zhì)[23]。此方法利用了膜的選擇透過性，使得陰陽離子向不同電極進(jìn)行遷移，達(dá)到去除水中污染物的目的[24]。王先鋒電滲析的方法處理含鹽量較高的廢水，并且探究了影響ED膜損傷的一系列預(yù)處理方法。經(jīng)過組合實(shí)驗(yàn)，能夠達(dá)到較高的去除率[25]。Kuichang等將電滲析與微生物燃料電池結(jié)合，對髙濃度的有機(jī)廢水進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)證明該工藝對有機(jī)物的去除率較高[26]。

2.4 電Fenton法

電Fenton方法的原理是，由電極產(chǎn)生的H2O2在電化學(xué)反應(yīng)的作用下與Fe2 +反應(yīng)生成自由基羥基(·OH)，它會氧化并將難降解的污染物分解成小分子，并且一旦電壓和電流得到控制，這個過程就很容易實(shí)現(xiàn)自動控制[27]。所通電壓大小、電流的密度、曝氣速率以及待處理水的pH值均將對電Fenton法的處理效果產(chǎn)生一定影響。Iglesias等利用電壓5.69 V、pH為2.24、鐵離子濃度為2.68 mmol/L的條件下，對合成染料，結(jié)果顯示其脫色率能達(dá)到90%，且COD的去除率可達(dá)到56%[27]；Shin Yong-Uk等采用密度為28.5 mA/cm2的恒定電流，對食品廢水進(jìn)行處理，40 min后，廢水中10 mmol/L的苯酚被完全降解，繼續(xù)處理后，廢水的TOC降低了約75%[28]。電Fenton工藝目前還未達(dá)到普遍的大規(guī)模應(yīng)用，仍處于研究實(shí)驗(yàn)階段，其能耗是主要的問題，因此仍需進(jìn)行進(jìn)一步的研究探索[29]。

2.5 電沉積水處理技術(shù)

通常在電解液中，有許多不同的金屬離子，這可能導(dǎo)致電解溶液中產(chǎn)生電勢的差異，同時在陰極電極，這些離子可以通過自由態(tài)以及聯(lián)合狀態(tài)的形式析出，形成沉淀，通過過濾即可出去該類污染物。廢水中的金屬離子即可通過此原理在電沉積法處理水的過程中被回收，并對綠色環(huán)境提供了強(qiáng)有力的保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用這一方法時，必須根據(jù)所處理污水的不同，合理設(shè)計電解槽，以提高污水的處理效果，這也是電沉積法設(shè)計的核心內(nèi)容[19]。

3 電化學(xué)水處理技術(shù)在不同種類廢水中的 應(yīng)用

3.1 垃圾滲濾液

根據(jù)填埋場的年份不同，可將垃圾滲濾液進(jìn)行分類，主要可分為兩類——早期滲濾液、晚期滲濾液。早期瀝濾的pH一般在5～7之間，呈弱酸性，除此之外具有較高的生物降解性，同時其碳氮比、氨氮濃度、BOD5和COD值也比較高；而晚期滲濾液則與早期滲濾液相反，但其氨氮濃度較高[30]。垃圾滲濾液污染較強(qiáng)，處理起來比較困難。魏平方等將Ti/RuO2·IrO2作為陽極材料，不銹鋼電極作為陰極材料，利用三維電極反應(yīng)器，對垃圾滲濾液進(jìn)行深度處理，在電極和電解槽的空隙中，用焦粉粒子進(jìn)行填充，同時在電極反應(yīng)器底部用氣泵曝氣，最終結(jié)果顯示，該方法的處理結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[31]。

3.2 城鎮(zhèn)污水

隨著人類社會的發(fā)展，環(huán)境日益惡化，因此我國對環(huán)保問題也更加重視，新的、更加嚴(yán)格的規(guī)范也就應(yīng)運(yùn)而生，因此，仍舊采用舊處理工藝的某些污水處理廠就不能達(dá)到新的污水處理標(biāo)準(zhǔn)。此時就需要運(yùn)用新的、處理效果更好的工藝技術(shù)——電化學(xué)水處理技術(shù)。何緒文用鋼板作為陰極，再將鈦板用作基質(zhì)，在一定比例的RuO2和TiO2中增加IrO2并在鈦板表面進(jìn)行涂層，用這種處理過的材料作為陽極，進(jìn)行水處理實(shí)驗(yàn)，經(jīng)測試所得的數(shù)據(jù)顯示，該方法處理的廢水可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[32]。

3.3 印染生產(chǎn)廢水

張俊等利用低電流高壓電化學(xué)處理方法，對印染廢水進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，隨著對原水進(jìn)行電化學(xué)預(yù)處理的時間的增加，COD、BOD的去除率逐漸升高，增加了廢水的可生化性，通過對經(jīng)濟(jì)的考量，反應(yīng)時間宜為15～20 min，在該條件下COD去除率約能達(dá)到50%～60%，其可生化性能在一定程度上也得到了提高[33]。

4 研究與展望

電化學(xué)水處理是一種很有前途的應(yīng)用技術(shù)，其能有效處理難降解的有機(jī)廢水，且其在多個不同方面以及領(lǐng)域的發(fā)展中均發(fā)揮了很大的作用，并且具有比較重要的意義。雖然如此，但是電化學(xué)水凈化技術(shù)仍然還有很多缺陷與不足之處。目前的發(fā)展和應(yīng)用并不廣泛，主要存在以下問題：

(1)在處理過程中，各電極所發(fā)生的反應(yīng)原理還未研究透徹，所產(chǎn)生的副產(chǎn)物或含量較少的產(chǎn)物無法檢測，應(yīng)加強(qiáng)研究電化學(xué)的機(jī)理。

(2)目前電化學(xué)反應(yīng)器只適用于實(shí)驗(yàn)，還無法滿足大規(guī)模水處理的需求，因此，在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中可能會對水處理產(chǎn)生影響的因素應(yīng)該納入考慮范圍內(nèi)，對處理工藝及反應(yīng)器的加強(qiáng)研究，多采用電化學(xué)與其他工藝的聯(lián)用。

(3)電化學(xué)需要大量電極材料，但目前所用的電極材料價格較高，工藝經(jīng)濟(jì)成本較高，應(yīng)努力開發(fā)新型廉價電極，推廣電化學(xué)處理技術(shù)的應(yīng)用。

(4)電化學(xué)水處理技術(shù)單獨(dú)作用時，處理效果有時無法達(dá)到預(yù)期，可以嘗試其與其他工藝的聯(lián)合工藝，增加污染物的去除率。