电化学工艺处理废水
摘要:介绍了电化学处理废水的基本原理和影响电化学法处理废水效果的因素，同时指出了在电化学处理废水领域还需研究的问题。
关键词:电化学氧化; 内电解法; 光电化学氧化; 废水处理
1 引言
工业经济的发展以大量资源和能源的消耗为代价，同时也造成了环境污染的严重恶果。加速企业技术进步，采用先进工艺，实施清洁生产，不但可以提高资源利用率，还能够减轻环境污染。把污染消除在工艺过程之中，实施全过程控制是企业持续发展的正确道路。目前世界各国对工业废水的处理研究甚多，其中电化学法设备占地面积小，操作灵活，排污量小，不仅可以处理无机污染物，也可以处理有机污染物，甚至连一些无法生物降解的有毒有机物与某些含重金属污水都可用此方法进行处理; 再加上风力、核电等新兴发电技术的大力发展和推广应用带来的电能成本降低，使得电化学方法在治理废水方面具有更大的优势。
2 电化学法处理废水的应用分类
电化学处理法包括电化学氧化还原、电凝聚、电气浮、光电化学氧化、内电解等方法。电化学法在废水处理中的应用主要包括重金属的去除与回收、生物难降解的有机废水处理、饮用水杀菌消毒以及与其他方法的联合使用。
3 电化学法处理废水的基本原理
3.1 电化学氧化还原法
电化学氧化还原法是指电解质溶液在电流的作用下，在阳极和电解质溶液界面上发生反应物粒子失去电子的氧化反应、在阴极和电解质溶液界面上发生反应物粒子与电子结合的还原反应的电化学过程。电化学的氧化原理分为两类: 一种是直接氧化，即让污染物直接在阳极失去电子而发生氧化，在含氰化物、含酚、含醇、含氮的有机废水处理中，直接电化学氧化发挥了十分有效的作用; 另一种则是间接氧化，即通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产物或发生阳极反应之外的中间反应来氧化污染物，最终达到氧化降解污染物的目的[1]。这种方法占地面积少、易操作; 但是效率低，影响的因素多(pH、电解质、电极材料等)。
3.2 电凝聚法
在电解过程当中，采用铝质或铁质的可溶性阳极通以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成的金属阳离子Fe3 + 和Al3 + 等与溶液中的OH-形成Fe(OH)3和Al(OH)3等具有絮凝作用的胶体物质，可促使水中的胶态杂质絮凝沉淀，从而实现污染物的去除[2]。
3.3 电气浮法
通过发生电极反应对废水进行电解，在阴极和阳极上分别析出氢气和氧气，产生直径很小(约20～ 100μm) 分散度很高的气泡，这些微气泡粘附在胶体或已形成的絮体上，随着气泡的上升，这些胶体或絮体会随之上升至水面形成泡沫层。再用机械方法去除，从而达到分离污染物的目的。可通过调节电流、电极材料、pH 值和温度改变产气量及气泡大小，满足不同需要。电气浮法在处理造纸废水方面有广阔的应用前景。它可使造纸废水的脱色率达94%，去除达98%，去除达75%。此外，电气浮还可使水中浮油的去除率达95%，使乳化油去除率达92%，对不同浓度的平均去除率也达到91.2%[3]。
3.4 光电化学氧化法
半导体材料吸收可见光或紫外光中的能量后可作为催化剂使用，使废水发生光催化反应从而达到去除有害物质的目的。常用的半导体材料有TiO2和SiO2等。实验研究表明，光催化氧化法对四氯化碳、4-氯酚、苯二酚、p-氨基酸、苯等有机物及CN-、S2-、I-、Br-、Fe2+、Cl-都有良好的去除效果。
3.5 内电解法
内电解法是利用废水中某些组分易被氧化还原的特点，当这些不同属性组分相遇且有导电介质时进行电化学反应的一种废水处理方法。内电解法处理染料废水是絮凝、吸附、架桥、卷扫、电沉积、电化学还原等多种共同作用、综合效应的结果[4]。工业上常用铁屑内电解法，其原理是利用铁屑中的铁和炭(或加入的惰性电极) 构成微小原电池的正极和负极，以充入的废水为电解质溶液，发生氧化还原反应，形成原电池。新生态的电极产物活性极高，能与 废水中的有机污染物发生氧化还原反应，使其结构形态发生变化，从而实现废水的处理。
内电解法的优点是以废治废，能量消耗少，能去除多种污染成分; 缺点是反应速度较慢，对高浓度废水处理比较困难。
4 影响电化学法处理废水效果的因素
4.1 电极材料
电化学反应是随着电荷的移动在电极表面发生的非均相催化反应。因此，电荷的移动速率决定反应速率，而电荷的移动速率是由电极的电位决定的。
电极基体材料决定电极电位。在不同的电极材料上发生反应的可能性和速率各不相同。尽管电极类型各异，但对它们有着共同的要求，即好的导电性和耐蚀性。用Sb2O3覆盖的Ti /SnO2电极是一种性能优良并适于处理有机工业污水的电极。
4.2 停留时间
停留时间也是电化学工艺在处理废水的一个主要影响因素，停留时间越长，氧化还原作用进行得越彻底。但停留时间增加会使能量消耗增加，所以停留时间并非越长越好。而且对于不同的废水，因其成分不同，停留时间需做具体调整。例如，废水的初始pH 值低，停留时间可以相对短一点; 相反，停留时间应相对长一点。
4.3 电解质溶液
电化学工艺处理废水时对电解质溶液的浓度有一定的要求，因为电解质溶液的浓度对有机物的催化降解速率具有较大的影响，主要表现在两方面:(1) 电解时，一般情况下，随着电解质溶液浓度的增加，降解速率增高; 但电解质溶液投入量增大，费用增加。(2) 电解过程中不同的电解质会发生不同的电化学反应。例如，存在Cl-时，电解过程中会产生Cl2、ClO-，存在SO42-和CO32-时，会在阳极被氧化为过硫酸盐和过碳酸盐，从而增大对有机物的氧化降解能力。所以应根据具体的反应来确定最佳条件以提高反应速率，降低费用。
5 结语
随着化学工业的不断发展，工业废水中人工合成有机物的种类越来越多，而这些有机物往往是难以降解的，此时电化学工艺则是一个处理工业废水的较佳选择。即便如此，在电化学处理废水领域还有许多问题亟待我们去探究:
(1) 由于对电化学反应机理研究的不充分，极大地限制了电化学工艺在工业废水处理方面的应用。所以，进一步深入研究电化学反应机理是非常必要和重要的。
(2) 由于电极材料的性能还不能满足工艺要求，电化学工艺处理废水的效率仍然偏低。因此研究生产高效的复合型电极成为电化学工艺推广应用的关键。
(3) 为了快速安全地处理好日益增多的工业废水，设计、制造大型高效的化学反应器也是当前面临的一项紧迫任务。
(4) 大力推广电化学法，并研究开发电化学法与生物法等其他方法联合的技术将是未来工业废水处理领域发展的方向。
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