光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水的研究綜述

趙顯峰

光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水的研究綜述

趙顯峰

（深圳市精鼎建筑工程咨詢有限公司，廣東 深圳 518000）

對(duì)電絮凝水處理方法的原理進(jìn)行了分析，并總結(jié)了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的特點(diǎn)。綜述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水的研究，并指出了今后光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器的研究方向。

光伏發(fā)電；電化學(xué)反應(yīng)器；電絮凝；廢水處理

水是人們生產(chǎn)生活中不可或缺的重要資源，但目前由于城市污水的排放、垃圾填埋、農(nóng)業(yè)面源、采礦、煉油及工業(yè)廢水的排放，水資源已造成了嚴(yán)重的污染。主要污染物包括有機(jī)物、重金屬離子、氯離子、硝酸鹽及硫酸鹽等。大量的新興水環(huán)境污染物的出現(xiàn)，對(duì)目前的給水及排水處理技術(shù)提出了更高的要求。飲用水的常規(guī)處理方法包括混合、絮凝、沉淀、過(guò)濾等單元，可以有效去除水中的懸浮物和膠體[1-2]。污、廢水的處理方法有物理方法、化學(xué)方法及生物處理方法等，可有效去除水中的有機(jī)物及重金屬[3]。上述方法有的會(huì)有副產(chǎn)物產(chǎn)生，造成水的二次污染，還有的能源消耗較高[4]。近幾十年來(lái)，電化學(xué)水處理方法受到了人們的高度重視。電化學(xué)水處理方法的優(yōu)勢(shì)是效率高，能轉(zhuǎn)化為清潔能源，避免揮發(fā)性污染物的產(chǎn)生，設(shè)備可一體化，容易操作[5]。電化學(xué)水處理方法包括電絮凝，電極氧化還原等，其中電絮凝處理各種廢水受到了廣泛的研究[6]。但電絮凝水處理技術(shù)耗能比較高，可利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，將光伏引入到電絮凝系統(tǒng)，能夠降低能耗，因此光伏電絮凝技術(shù)有著良好的應(yīng)用前景[7]。本文對(duì)光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并指出了今后的研究發(fā)展方向。

1 電絮凝水處理原理

電絮凝，也叫電凝聚，是一種集混凝、氣浮、電化學(xué)作用于一體的電化學(xué)水處理方法[8]。電絮凝通常利用鐵、鋁等可溶金屬作為陽(yáng)極，惰性電極作為陰極，電極通電后，陽(yáng)極能夠溶解產(chǎn)生相應(yīng)的離子。離子在水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絮凝劑，發(fā)揮凈水中作用。鐵陽(yáng)極通以直流電后，陽(yáng)極的Fe溶解，失去電子，變成Fe2+或Fe3+，在水中反應(yīng)可生成Fe(OH)2或Fe(OH)3。陽(yáng)極鋁可變成Al3+則生成Al(OH)3。Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)3及Al(OH)3均可作為混凝劑，破壞水中膠體的雙電層的結(jié)構(gòu)，使膠體顆粒脫穩(wěn)，再輔以沉淀過(guò)程，使膠體顆粒沉淀，實(shí)現(xiàn)泥水分離[9]。另外氧氣會(huì)在陽(yáng)極上產(chǎn)生，氫氣在陰極析出。陰、陽(yáng)極氣泡可以和水中的污染物一起上浮，將污染物帶到水面而分離。鐵、鋁電極通電后發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式（1）-（10）[10-13]。電絮凝反應(yīng)不需要填加化學(xué)混凝劑，因而是一種環(huán)境友好的水處理方法。通過(guò)改變電解電壓或電流密度就可改變電絮凝的運(yùn)行參數(shù)，易于對(duì)電絮凝池進(jìn)行自動(dòng)控制。電絮凝法在一些高濃度有機(jī)廢水，如印染、紡織、焦化等工業(yè)廢水的處理中有較多的研究應(yīng)用[14]。

鋁電極陽(yáng)極反應(yīng)：

鐵電極陽(yáng)極反應(yīng)：

水在陽(yáng)極的反應(yīng)：

水在陰極的反應(yīng)：

2 太陽(yáng)能發(fā)電

電絮凝方法在廢水處理中的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致電力消耗和后續(xù)處理成本的增加，因?yàn)殡娏髅芏仁请娀瘜W(xué)方法的重要影響因素之一。這促使研究人員尋找有效的可再生能源取代傳統(tǒng)的電能。傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣和核能將增加二氧化碳排放量，會(huì)導(dǎo)致全球變暖?？稍偕茉从械?zé)帷⑻?yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能和水力。其中太陽(yáng)能是一種有吸引力的可再生能源。太陽(yáng)能資源豐富，免費(fèi)提供、可持續(xù)、無(wú)溫室氣體和有毒氣體，它允許立即傳輸電力以及存儲(chǔ)。將太陽(yáng)光的輻射能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，稱為光伏發(fā)電。光伏發(fā)電利用的是半導(dǎo)體 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射在 PN結(jié)上，除了部分光被反射，另一部分能量中的光子將半導(dǎo)的電子激發(fā)，形成電子-空穴對(duì)[15]。在電場(chǎng)的作用下，空穴由N區(qū)流向區(qū)極，電子向反方向流動(dòng)，這樣就形成了電流[15]。將太陽(yáng)能電池板輻射的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置稱光伏發(fā)電裝置，它由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直交流逆變器、直流負(fù)載與交流負(fù)載等組成[16]。

3 光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器的研究

Jawad等[17]設(shè)計(jì)了10 mm×110 mm×200 mm的矩形反應(yīng)器，利用四塊鐵孔板電極，在21 W太陽(yáng)能電池的驅(qū)動(dòng)下，降解了酸性橙2染料合成廢水（10～30 mg·L-1），其結(jié)論是更高的電流密度和更小的電極間距有利于提高染料的去除率。并且當(dāng)pH=7，電流密度=2 mA·cm-2，極板間距=5 mm，=40 min時(shí)，酸性橙2達(dá)到100%去除率。Pirkarami等[18]在太陽(yáng)能電池供電的條件下，利用1L的玻璃反應(yīng)器，比較了多種陽(yáng)極（鐵、鋁、鐵鋁組合、鈦電極）對(duì)酸性橙2合成廢水，活性藍(lán)19合成廢水，實(shí)際的紡織廢水的電絮凝處理性能。實(shí)驗(yàn)得出的最佳條件為電極間距10 mm，鐵電極，電流密度45 A·m-2，溫度25 ℃, pH =7, 污染物15 mg·L-1。Naje等[19]利用旋轉(zhuǎn)型鋁陽(yáng)極也對(duì)紡織廢水的光伏電絮凝效果進(jìn)行了研究。在電流密度4 mA·cm-2, 反應(yīng)時(shí)間 10 min, pH= 4.57時(shí)，裝置對(duì)COD、BOD、TSS、濁度和色度的去除率分別為97.10%，95.55%，98%， 96%和98.50%。電極消耗為0.038 kg·m-3，能耗為4.66 kWh·m-3，操作費(fèi) 為0.44 美元·m-3。 Elkacmi 等[20]制作了1個(gè)10 L的透明有機(jī)玻璃反應(yīng)器，由兩個(gè)平行的圓柱形部分、一個(gè)內(nèi)徑為75 mm的提升管和一個(gè)內(nèi)徑為44 mm的下降管組成。配置了鋁陽(yáng)極，其光伏模塊表面積為1.48 m2，功率為230 W，短路電流為8.61 A，開(kāi)路電壓為33.32 V。對(duì)橄欖廠廢水進(jìn)行電絮凝反應(yīng)的結(jié)果是當(dāng)初始 pH值為 5.6，電流密度32.14 mA·cm-2，=40 min，COD去除率79.24%，多酚去除率94.82%，色度去除率為97.87%。電極溶解量0.111 8 kg·m-3，比能耗9.86 kWh·m-3，運(yùn)營(yíng)成本0.2 美元·m3。García-García等[21]采用光伏電絮凝-電氧化聯(lián)合工藝處理工業(yè)園區(qū)的廢水，銅用于陽(yáng)極和陰極，反應(yīng)器0.125 L，光伏電池提供1～3 A 的電流強(qiáng)度，225 W的功率。結(jié)果表明聯(lián)合工藝的TOC去除率70.26%，COD去除率 99.7%，色度去除率100%。Dermentzis等[22]利于表面積為1.63 m2的單晶硅板發(fā)電，峰值功率327 W，電能供應(yīng)于電絮凝反應(yīng)器。反應(yīng)器為400 mL的圓柱形玻璃池， 內(nèi)置10 cm×5cm×0.2 cm的3塊鐵板，極間距離為0.5 cm。對(duì)電極施加20 mA·cm-2的電流密度后，電鍍廢水中鉻去除率超過(guò)99%，相應(yīng)的電能消耗為 8.4 kW·m-3水。Hussin等[23]利用穿孔鋅電極（7 cm×5 cm)，在極板間距為的1 cm的條件下在1 L硼硅玻璃燒杯發(fā)生電絮凝反應(yīng)，對(duì)鉛離子的去除率為99.9%。此實(shí)驗(yàn)采用的是多晶硅電池供電，電流密度為1.13 mA·cm-2。Apshankar等[24]利用2塊14.5 cm×2.5 cm×0.1 cm的低碳鋼電極，在電極間距2 cm 條件下處理飲用水的硝酸鹽（95.53 mg·L-1），其太陽(yáng)能電池為17 V，5 W，沒(méi)有電壓控制裝置。初始pH值10.8，通電時(shí)間3 h，取得最大去除效率53%。Sharma等[25]利用兩個(gè)鋁電極（17 cm×9 cm×0.2 cm)處理濁度15～20 NTU，TOC=5.5 mg·L-1，UV（254 nm）吸光度=0.15，電導(dǎo)率=0.080 5 的高嶺土與腐殖酸配水。配置了65 W單晶硅光伏面板(1 210 mm×540 mm×28 mm)及電壓控制器。在沒(méi)有充電控制系統(tǒng)的情況下最高濁度去除率為87%，最高紫外線吸光度去除率為85%。在有充電控制系統(tǒng)的情況下最大濁度和紫外吸光度去除率分別為90%和95%。Zhang等[26]將鋁電極（150 mm×120 mm×45 mm）置于反應(yīng)器內(nèi)（150 mm×120 mm×45 mm），以30 W光伏太陽(yáng)能組件供電， 其短路電流為1.93 A，開(kāi)路電壓為21.6 V。在電極間隙25 mm，電導(dǎo)率范圍為765～135 μS·cm-1時(shí)，處理自景觀水的中的磷,TP 去除效率的預(yù)測(cè)值為 97.77%，去TP需要的能量為0.71 kWh·m-3。

從以上實(shí)驗(yàn)來(lái)分析，電絮凝反應(yīng)器采有光伏供電的比較多，常用的反應(yīng)器為矩形，還有一些利用玻璃燒杯作為反應(yīng)器，處理的水量?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室的小型水量，如1～5 L。所使用的電極材料包括鐵板，鋁板，鐵鋁組合，鈦，低碳鋼，銅，鋅及不銹鋼電極等。電極形式有板狀，棒狀，還有可旋轉(zhuǎn)的筒式電極。電絮凝所需電量采用單晶硅光伏面板發(fā)電，利用太陽(yáng)能電池進(jìn)行貯存電量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有的實(shí)驗(yàn)配制電壓控制器，控制電壓的輸出，而有的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有電壓控制裝置。電絮凝反應(yīng)及電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的影響因素包括電流密度，電壓，電極間距，溶液的pH等因素，不同類(lèi)型的廢水的最佳反應(yīng)條件顯示了一定的差異。但是總的來(lái)說(shuō)，提高的電流密度，縮小的電極間距有利于污染物的去除。有些研究也對(duì)電解的溶解量進(jìn)行的計(jì)算，另外能耗及操作費(fèi)也是影響電絮凝應(yīng)用的因素，對(duì)它們的評(píng)價(jià)也顯得尤為重要。目前利用光伏供電帶動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)器的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，有的是對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬配水進(jìn)行電化學(xué)處理，也有的處理實(shí)際的廢水，但水量還是較小，今后需提高水量，擴(kuò)大設(shè)備容積，優(yōu)化中試研究。另外太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)化也需要加以考慮。如晴天、陰天的發(fā)電量，電池能量的控制等都需要實(shí)際的測(cè)試。但從電化學(xué)反應(yīng)的能耗及易于設(shè)備化，易于自控制管理的角度來(lái)講，光伏供電化學(xué)反應(yīng)器在農(nóng)村分散污水的處理，小型工業(yè)廢水的處理方面有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論與展望

電絮凝工藝由于設(shè)備簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化管理等優(yōu)點(diǎn)，在廢水處理中的應(yīng)用已經(jīng)有了較好的研究基礎(chǔ)，但由于電能的消耗，水處理成本較高。將電絮凝技術(shù)與先進(jìn)的光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，從這種組合技術(shù)中獲得最高效率，從而將整個(gè)過(guò)程的成本降至最低。光伏電絮凝技術(shù)目前還限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，電極材料與形式的優(yōu)化，光伏系統(tǒng)的優(yōu)化配置，將是今后重點(diǎn)研究的方向。光伏電絮凝在陽(yáng)光充足地域的農(nóng)村分散廢水的處理及小型工業(yè)廢水的處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

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Research on Photovoltaic Driven Electrocoagulation Reactor for Wastewater Treatment

(Shenzhen Jingding Construction Engineering Consulting Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518000, China)

The principle of electrocoagulation water treatment method was analyzed, and the characteristics of solar photovoltaic power generation were summarized. The research on solar photovoltaic power generation driving electrocoagulation reactor to treat wastewater was reviewed, and the future research direction of photovoltaic driving electrocoagulation reactor was pointed out.

Photovoltaic power generation; Electrochemical reactor; Electrocoagulation; Wastewater treatment

2021-07-28

趙顯峰（1969-），男，吉林省農(nóng)安縣人，高級(jí)工程師，1994年畢業(yè)于吉林建筑工程學(xué)院給水排水工程專業(yè)，研究方向：從事水處理及給排水管網(wǎng)優(yōu)化。

TQ085.4

A

1004-0935（2022）01-0086-04