電化學(xué)工藝在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用
工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以大量資源和能源的消耗為代價(jià)，同時(shí)也造成了環(huán)境污染的嚴(yán)重惡果。加速企業(yè)技術(shù)進(jìn)步，采用先進(jìn)工藝，實(shí)施清潔生產(chǎn)，不但可以提高資源利用率，還能夠減輕環(huán)境污染。把污染消除在工藝過(guò)程之中，實(shí)施全過(guò)程控制是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的正確道路。目前世界各國(guó)對(duì)工業(yè)廢水的處理研究甚多，其中電化學(xué)法設(shè)備占地面積小，操作靈活，排污量小，不僅可以處理無(wú)機(jī)污染物，也可以處理有機(jī)污染物，甚至連一些無(wú)法生物降解的有毒有機(jī)物與某些含重金屬污水都可用此方法進(jìn)行處理; 再加上風(fēng)力、核電等新興發(fā)電技術(shù)的大力發(fā)展和推廣應(yīng)用帶來(lái)的電能成本降低，使得電化學(xué)方法在治理廢水方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。
2 電化學(xué)法處理廢水的應(yīng)用分類
電化學(xué)處理法包括電化學(xué)氧化還原、電凝聚、電氣浮、光電化學(xué)氧化、內(nèi)電解等方法。電化學(xué)法在廢水處理中的應(yīng)用主要包括重金屬的去除與回收、生物難降解的有機(jī)廢水處理、飲用水殺菌消毒以及與其他方法的聯(lián)合使用。
3 電化學(xué)法處理廢水的基本原理
3．1 電化學(xué)氧化還原法
電化學(xué)氧化還原法是指電解質(zhì)溶液在電流的作用下，在陽(yáng)極和電解質(zhì)溶液界面上發(fā)生反應(yīng)物粒子失去電子的氧化反應(yīng)、在陰極和電解質(zhì)溶液界面上發(fā)生反應(yīng)物粒子與電子結(jié)合的還原反應(yīng)的電化學(xué)過(guò)程。電化學(xué)的氧化原理分為兩類: 一種是直接氧化，即讓污染物直接在陽(yáng)極失去電子而發(fā)生氧化，在含氰化物、含酚、含醇、含氮的有機(jī)廢水處理中，直接電化學(xué)氧化發(fā)揮了十分有效的作用; 另一種則是間接氧化，即通過(guò)陽(yáng)極反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化作用的中間產(chǎn)物或發(fā)生陽(yáng)極反應(yīng)之外的中間反應(yīng)來(lái)氧化污染物，最終達(dá)到氧化降解污染物的目的。這種方法占地面積少、易操作; 但是效率低，影響的因素多(pH、電解質(zhì)、電極材料等)。
3．2 電凝聚法
在電解過(guò)程當(dāng)中，采用鋁質(zhì)或鐵質(zhì)的可溶性陽(yáng)極通以直流電后，陽(yáng)極材料會(huì)在電解過(guò)程當(dāng)中發(fā)生溶解，形成的金屬陽(yáng)離子Fe3 + 和Al3 + 等與溶液中的OH-形成Fe(OH)3和Al(OH)3等具有絮凝作用的膠體物質(zhì)，可促使水中的膠態(tài)雜質(zhì)絮凝沉淀，從而實(shí)現(xiàn)污染物的去除。
3．3 電氣浮法
通過(guò)發(fā)生電極反應(yīng)對(duì)廢水進(jìn)行電解，在陰極和陽(yáng)極上分別析出氫氣和氧氣，產(chǎn)生直徑很小(約20～ 100μm) 分散度很高的氣泡，這些微氣泡粘附在膠體或已形成的絮體上，隨著氣泡的上升，這些膠體或絮體會(huì)隨之上升至水面形成泡沫層。再用機(jī)械方法去除，從而達(dá)到分離污染物的目的。可通過(guò)調(diào)節(jié)電流、電極材料、pH 值和溫度改變產(chǎn)氣量及氣泡大小，滿足不同需要。電氣浮法在處理造紙廢水方面有廣闊的應(yīng)用前景。它可使造紙廢水的脫色率達(dá)94%，去除達(dá)98%，去除達(dá)75%。此外，電氣浮還可使水中浮油的去除率達(dá)95%，使乳化油去除率達(dá)92%，對(duì)不同濃度的平均去除率也達(dá)到91．2%。
3．4 光電化學(xué)氧化法
半導(dǎo)體材料吸收可見(jiàn)光或紫外光中的能量后可作為催化劑使用，使廢水發(fā)生光催化反應(yīng)從而達(dá)到去除有害物質(zhì)的目的。常用的半導(dǎo)體材料有TiO2和SiO2等。實(shí)驗(yàn)研究表明，光催化氧化法對(duì)四氯化碳、4-氯酚、苯二酚、p-氨基酸、苯等有機(jī)物及CN-、S2-、I-、Br-、Fe2+、Cl-都有良好的去除效果。
3．5 內(nèi)電解法
內(nèi)電解法是利用廢水中某些組分易被氧化還原的特點(diǎn)，當(dāng)這些不同屬性組分相遇且有導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的一種廢水處理方法。內(nèi)電解法處理染料廢水是絮凝、吸附、架橋、卷掃、電沉積、電化學(xué)還原等多種共同作用、綜合效應(yīng)的結(jié)果。工業(yè)上常用鐵屑內(nèi)電解法，其原理是利用鐵屑中的鐵和炭(或加入的惰性電極) 構(gòu)成微小原電池的正極和負(fù)極，以充入的廢水為電解質(zhì)溶液，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，形成原電池。新生態(tài)的電極產(chǎn)物活性極高，能與 廢水中的有機(jī)污染物發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使其結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)廢水的處理。
內(nèi)電解法的優(yōu)點(diǎn)是以廢治廢，能量消耗少，能去除多種污染成分; 缺點(diǎn)是反應(yīng)速度較慢，對(duì)高濃度廢水處理比較困難。
4 影響電化學(xué)法處理廢水效果的因素
4．1 電極材料
電化學(xué)反應(yīng)是隨著電荷的移動(dòng)在電極表面發(fā)生的非均相催化反應(yīng)。因此，電荷的移動(dòng)速率決定反應(yīng)速率，而電荷的移動(dòng)速率是由電極的電位決定的。
電極基體材料決定電極電位。在不同的電極材料上發(fā)生反應(yīng)的可能性和速率各不相同。盡管電極類型各異，但對(duì)它們有著共同的要求，即好的導(dǎo)電性和耐蝕性。用Sb2O3覆蓋的Ti /SnO2電極是一種性能優(yōu)良并適于處理有機(jī)工業(yè)污水的電極。
4．2 停留時(shí)間
停留時(shí)間也是電化學(xué)工藝在處理廢水的一個(gè)主要影響因素，停留時(shí)間越長(zhǎng)，氧化還原作用進(jìn)行得越徹底。但停留時(shí)間增加會(huì)使能量消耗增加，所以停留時(shí)間并非越長(zhǎng)越好。而且對(duì)于不同的廢水，因其成分不同，停留時(shí)間需做具體調(diào)整。例如，廢水的初始pH 值低，停留時(shí)間可以相對(duì)短一點(diǎn); 相反，停留時(shí)間應(yīng)相對(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)。 4．3 電解質(zhì)溶液
電化學(xué)工藝處理廢水時(shí)對(duì)電解質(zhì)溶液的濃度有一定的要求，因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液的濃度對(duì)有機(jī)物的催化降解速率具有較大的影響，主要表現(xiàn)在兩方面:(1) 電解時(shí)，一般情況下，隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加，降解速率增高; 但電解質(zhì)溶液投入量增大，費(fèi)用增加。(2) 電解過(guò)程中不同的電解質(zhì)會(huì)發(fā)生不同的電化學(xué)反應(yīng)。例如，存在Cl-時(shí)，電解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Cl2、ClO-，存在SO42-和CO32-時(shí)，會(huì)在陽(yáng)極被氧化為過(guò)硫酸鹽和過(guò)碳酸鹽，從而增大對(duì)有機(jī)物的氧化降解能力。所以應(yīng)根據(jù)具體的反應(yīng)來(lái)確定最佳條件以提高反應(yīng)速率，降低費(fèi)用。 5 結(jié)語(yǔ)
隨著化學(xué)工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水中人工合成有機(jī)物的種類越來(lái)越多，而這些有機(jī)物往往是難以降解的，此時(shí)電化學(xué)工藝則是一個(gè)處理工業(yè)廢水的較佳選擇。即便如此，在電化學(xué)處理廢水領(lǐng)域還有許多問(wèn)題亟待我們?nèi)ヌ骄?
(1) 由于對(duì)電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究的不充分，極大地限制了電化學(xué)工藝在工業(yè)廢水處理方面的應(yīng)用。所以，進(jìn)一步深入研究電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理是非常必要和重要的。
(2) 由于電極材料的性能還不能滿足工藝要求，電化學(xué)工藝處理廢水的效率仍然偏低。因此研究生產(chǎn)高效的復(fù)合型電極成為電化學(xué)工藝推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。
(3) 為了快速安全地處理好日益增多的工業(yè)廢水，設(shè)計(jì)、制造大型高效的化學(xué)反應(yīng)器也是當(dāng)前面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。
(4) 大力推廣電化學(xué)法，并研究開(kāi)發(fā)電化學(xué)法與生物法等其他方法聯(lián)合的技術(shù)將是未來(lái)工業(yè)廢水處理領(lǐng)域發(fā)展的方向。