环境电化学论文

浅析电化学技术在废水处理中的研究现状浅析电化学技术在废水处理中的研究现状 摘摘 要要 电化学技术的应用范围越来越宽广 由于其具有污染少 易于控制 设备简单和 无需添加氧化剂等化学药品等优点 电化学技术在环境污染物检测 环境污染物处理 清洁生产和清洁能源等方面发挥着越来越大的作用 本文对电化学技术在废水处理中 的应用进行了简要的分析 对各种方法进行了阐述 包括了简单的机理探讨和实际应 用 关键词关键词 电化学 废水 处理 应用 Abstract The application of electrochemical technology are more and more broad since it has less pollution easy to control simple equipment and need not add antioxidant chemicals etc And the electrochemical technology in environmental detection environment pollution treatment clean production and clean energy are playing a more and more important role In this paper the electrochemical technology applications in wastewater treatment is briefly analyzed and various methods were introduced including the mechanism of a simple discussion and practical application Key words electrochemistry wastewater treatment application 第 1 章 前 言 水是生命之泉 是我们人类生活的保障 目前 世界上有 12 亿人用水短缺 30 亿 人缺乏用水卫生设施 每年有 300 万 400 万人死于和水有关的疾病 水资源危机带来 的生态系统恶化和生物多样性破坏 也将严重威胁人类生存 1 随着我国人口的增长和 工业化 城市化加快 工业废水 废气 废渣造成了我国环境的严重污染 对人类的 生存构成了巨大威胁 随着对废水处理的深入研究 目前处理废水有以下几种方法 物理法 化学法 物理化学法和生物法等 由于以上方法都有其不足之处 再加上现在大力倡导清洁生 产 使电化学技术成为了研究热点 电化学 2 是研究化学能与电能之间相互转化的古老学科 从学科性质上讲 属于物 理化学的一个重要分支 在与无机化学 有机化学 分析化学 化学工程等学科相互 渗透 协调发展的过程中逐渐形成了自己完备的理论与应用体系 电化学技术在解决 环境问题方面具有很大的优势 且应用领域广泛 涵盖了电合成 二次能源 传感器 和环境监测 污染物的电化学处理和腐蚀防护等 电化学在工业上有着重要作用 包 括电解 金属加工与处理 电池和燃料电池 水和废水处理等方面的应用 3 在某些应用方面 对比现有常用的净化处理方法 电化学方法具有独特的优势 2 1 具有多种功能 电化学法除可用电化学氧化还原使毒物降解 转化以外 还 可用于悬浮或胶体体系的相分离 电化学方法的这种多功能性使电化学法具有广泛的 选择性 在污水 废气 有毒废物处理等多方面均可发挥作用 2 化学过程中的主要运行参数是电流和电位 容易测定和控制 因此整个过程 的可控程度乃至自动控制水平都较高 易于实现自动控制 3 电子是电化学反应的主要产物 且电子转移只在电极及废物组分之间进行 不需另外添加氧化还原试剂 避免了由另外添加药剂而引起的二次污染问题 通过控 制电位 可使电极反应具有高度选择性 防止有可能发生的副反应 4 电化学系统设备相对简单 设计合理的系统能量效率也较高 因而操作与维 护费用较低 5 兼具气浮 絮凝 杀菌多种功能 必要时阴极 阳极可同时发挥作用 既可 以作为单独处理 又可以与其他处理方法相结合 如作为预处理 将难降解有机物或 生物毒性污染物转化为可生物降解物质 以提高废水的可生物降解性 第 2 章 电化学技术处理废水的研究现状 电化学处理技术一般包括以下几种方法 电解凝聚法 电化学氧化法 内电解法 电解气浮法和电沉积法等 这些方法以电化学的基本原理为基础 利用电极反应及其 相关过程 通过直接和间接的氧化还原 凝聚絮凝 吸附降解和协同转化等综合作用 对水中有机物 重金属 硝酸盐 胶体颗粒物 细菌 色度 臭味等污染物具有较好 的去除效果 电化学法处理污水 具有无需添加氧化剂 絮凝剂等化学药品 设备体 积小 占地面积小 操作简单灵活 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 特别是一些无法用生物降解的有毒有机物可用电化学方法处理 用电 还原法处理一些重金属污水时还可回收废水中的金属等优点 4 2 1 电解凝聚法电解凝聚法 该法 4 采用可溶性阳极如 Fe Al 等金属板 在外加直流电压的作用下 金属阳极 氧化溶解 生成金属离子 Fe2 Fe3 Al3 这些离子在水中 OH 作用生成 Fe OH 2 Fe OH 3与 Al OH 3氢氧化物沉淀 当水中含有重金属离子时 生成的金属氢氧化 物能与 Al OH 3和 Fe OH 3形成凝聚共沉体 或是 Al OH 3 FeOH 2 FeOH 3等微絮 体与污水中的污染物进行絮凝作用而沉淀来实现分离净化的目的 该方法具有处理效 果好 占地面积小 设备简单 操作方便等优点 也存在阳极金属消耗量大 需要大 量盐类作辅助药剂 能耗高 运行费用较高等缺点 王刚等 5 采用电凝聚方法 作为垃 圾渗滤液前处理工艺 对 COD 和氨氮都有一定的去除效果 2 2 电化学氧化法电化学氧化法 电化学氧化法可分为直接氧化法和间接氧化法 其本质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 6 直接氧化是在阳极表面发生氧化反应直接把污染物变成无害物质 该法又可分为 两类 7 一是电化学转换 即被氧化物质未发生完全氧化 相对于废水处理而言 电化 学转化可以把有毒物质转变为无毒物质 或把非生物相容的有机物转化为生物相容的 物质 如芳香物开环氧化为脂肪酸 以便进一步实施生物处理 二是电化学燃烧 即 被氧化物质彻底氧化为稳定的无机物 相对于废水处理而言 电化学燃烧可以将废水 中的有机物彻底氧化为 CO2 间接氧化是在阳极反应过程中生成具有较强氧化性质的中间产物或发生阳极反应 之外的中间反应 氧化被处理污染物 最终使其降解 为了得到高的电流效率 间接 氧化法必须满足以下要求 8 M 的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应的电位 M 的 产生速度足够大 M 与污染物的反应速度比其他竞争反应速度大得多 在某些情况下 M 是催化剂 可以循环使用 杨少斌等 9 采用电化学氧化法处理印染废水 其结果表 明经处理后的废水能达到国家污水综合排放标准级要求 2 3 电化学还原法电化学还原法 电化学还原即通过阴极还原发生去除环境污染物 也可分为阴极直接还原和阴极 间接还原 间接阴极还原主要是指利用电化学过程中生成的一些氧化还原媒质 如 Ti3 V2 和Cr2 将污染物还原去除 有毒氯代有机物不仅可以通过阳极氧化法 被 OH分解 还可以通过阴极还原脱氯 Schmal等 10 对电化学方法处理卤代有机化合 物废水的可行性进行了评价 2 4 内电解法内电解法 此法又被称为微电解 利用铁屑中的铁和碳组分 或另外加入焦炭等 构成原电 池 它是指在电解槽反应器中充填粒子 外加直流电场使其中的导电粒子复极化而形 成无数微小的电解槽 污染物被吸附到粒子表面发生电化学反应而被去除 11 内电解 法包括以下几个方面的作用 12 1 原电池反应 铸铁是铁和碳的合金 因此当铸铁浸入废水中时就会构成许多 细小的微电池 纯铁为阳极 碳及杂质则成为阴极 发生电极发应 2 氢的还原作用 从电极反应中得到的新生态氢具有较大的活性 能与废水中 的许多组分发生氧化还原作用 能破坏发色物质的发色结构 使偶氮基断裂 大分子 分解为小分子 硝基化合物还原为胺基化合物 达到脱色的目的 同时使废水的组成 向易于生化的方向转变 3 电化学附集作用 当铁与碳或其他杂质之间形成一个个小的原电池时 将在 其周围产生许多微电场 废水中稳定的胶体粒子 极性分子和细小分散的污染物受微 电场的作用后便会发生电泳 向相反电荷的电极移动 并且聚积在电极上 形成大颗 粒而被附集 使废水 COD 值降低 4 铁的混凝作用 用铁屑处理废水时 会产生 Fe2 和 Fe3 Fe2 和 Fe3 是很 好的絮凝剂 把溶液 pH 调至碱性且有 O2存在时 会形成 Fe OH 2和 Fe OH 3絮凝沉 淀 Fe OH 3是胶体絮凝剂 它的吸附能力高于一般药剂水解得到 Fe OH 3的吸附能力 另外生成的 Fe OH 3可能水解生成 Fe OH 2 等络离子 这些离子具有很强的絮凝功能 这样 废水中原有的悬浮物 通过微电池反应产生的不溶物和构成色度的不溶性染料 均可被其吸附凝聚 5 物理吸附 活性碳有很强的吸附能力 尤其是废水中的固体微粒 很容易被它 吸附除去 在弱酸性溶液中 铁屑丰富的比表面积显出较高的表面活性 能吸附多种 金属离子 能促进金属的去除 而且铸铁是一种多孔性物质 其表面具有较强的活性 能吸附废水的有机污染物 净化废水 特别是加入烟道灰等物质时中 其很大的比表 面积和微晶表面上的大量不饱和键和含氧活性基团 在相当宽的 pH 范围内对染料分子 都有吸附作用 安晓雯 13 应用内电解原理预处理制药废水 取得了较好的处理效果 提高了废水 的可生化性 2 5 电渗析法电渗析法 电渗析法 14 是属于膜分离的范畴 是把阴 阳离子交换膜交替分布在阳 阴极之 间并用隔板隔开 利用离子交换膜的选择透过性 使电解质分离出来 目前的电渗析 技术有倒极电渗析 液膜电渗析 填充床电渗析 双极膜电渗析 无极水电渗析等 最有应用前景的是填充床电渗析和双极膜电渗析 填充床电渗析是将电渗析与离子交 换法结合起来的一种新型水处理方法 它集中了电渗析和离子交换法的优点 提高了 极限电流密度和电流效率 最大特点是利用水解离产生的 H 和 OH 自动再生填充在 电渗析器淡水室中的混床离子交换树脂上 从而实现了持续深度脱盐 双极膜是一种 新型离子交换复合膜 一般由层压在一起的阳离子交换膜组成 通过膜的水分子即刻 分解成 H 和 OH 因此可作为 H 和 OH 的供应源 双极膜电渗析法的优点是过程简 单 能效高 废物排放少 目前 双极膜电渗析工艺主要应用在酸碱制备领域 康莹 莹 15 等利用电渗析法预处理丙烯酸丁酯废水 COD 去除率和脱盐率都在 99 以上 且 表明了电渗析是一种浓缩回收丙烯酸丁酯废水中有机酸盐的经济有效的预处理方法 2 6 电解气浮法电解气浮法 该法是在直流电场的作用下 通过对废水进行电解 在阳极和阴极上分别产生氧 气和氢气等气体 这些气体以微气泡形式存在 能够粘附在胶体或已形成的絮体上 形成浮渣 从而去除水中污染物质 电解气浮法具有以下优点 1 电气浮过程中的气泡分布范围较窄 尺寸也较小 平均为 20 m 左右 可以 获得很高的分离效果 2 通过改变电流密度即可调节气泡数量 从而可提高气泡和污染物颗粒间的碰 撞概率 3 对于特定的分离过程 选择合适的电极材料和溶液条件即可获得最佳的分离 效果 当气泡和颗粒物的 电位符号相反时 气浮分离效率最高 张红 16 等利用电解气浮 吸附过滤联合工艺处理印染废水取得了较好的处理效果 使废水得以净化 此工艺简单 占地面积少 对流量变化的适应性强 不产生噪音 2 7 电沉积法电沉积法 利用电解液中不同金属组分的电势差 使自由态或结合态的溶解性金属在阴极析 出 适宜的电位是电沉积反应能否发生的关键 无论金属处于哪种状态 均可根据溶 液中实际离子活度的大小 由能斯特方程确定点位的高低 影响电沉积过程的因素 2 1 金属离子的存在形态 常见废水中金属离子的存在状态有自由金属离子状态 和结合状态两种 若金属离子以结合态存在 则沉积会比自由离子更难 2 竞争反应 如析氢还原反应 阴极氧还原反应 被沉降金属离子的其他反应 以及多种金属离子共存时 金属离子之间的相互影响都会降低金属沉降反应的电流效 率和沉降速度 3 阳极反应 如析氧反应 含氯电解液中氯气的析出等 李天成等 17 采用电沉积 生物膜复合工艺处理含 Cr3 废水 净化后废水能够达到 工业回用水标准 第 3 章 结束语 3 1 电化学技术的其他应用电化学技术的其他应用 在环境工程领域中 电化学技术不仅在废水处理中得到了广泛的应用 还应用于 其他方面 3 1 1 电化学技术在修复污染土壤的应用 电化学用于污染土壤的原位修复是利用电流清除土壤或泥浆中的放射性物质 重 金属 某些有机化合物或无机与有机混合污染物的方法 实际是通过电迁移 电渗和 电泳三种机制清楚土壤中的污染物 2 3 1 2 电化学技术在环境监测中的应用 电化学技术可作为传感器 监控器 用于 H O2 CO2 SO2 NO2 NH3 乙醇 麻醉剂 神经性气体 金属离子等的分析和控制 18 3 1 3 电化学技术在清洁生产方面的应用 1 化学电源 化学电源是按电化学方式直接将化学能转化为电能的一种装置 人类转化能量的 传统方式是热机过程 然而热机过程受卡诺循环的限制 不但能量转化效率低 造成 能源浪费 而且产生大量的粉尘 二氧化碳 氮的氧化物和硫以及硫的氧化物等有害 物质 造成大气 水质 土壤等污染 是环境保护所要解决的重要问题 化学电源按 活性物质的保存方式可分为三种主要类型 一次电池 二次电池 蓄电池 和燃料电 池 由于一次电池不易回收 不利于环保和节约地球有限资源 近年来 人们将研究 的重点转向二次电池和燃料电池的研究 燃料电池 19 具有高效 环境友好 安全 可 靠性高的优点 2 有机电合成 有机电合成法就是借助电极传递电子 使有机物氧化或还原 而不采用化学品直 接氧化或还原有机物 它是电化学 有机化学和化学反应工程的交叉学科 有机电合 成具有反应条件温和 可在常温常压下进行 工艺流程简单 易于实现自动控制 产物选择性高 副产物少 污染少甚至无污染等优点 是绿色合成的必要途径之一 被称为绿色工业 20 3 水的电化学消毒 电化学方法制备消毒剂技术节能 廉价 无残留 安全 目前 广泛用 C12对水 进行消毒 但近来发现加氯水中有很多致癌物质 显然采用 H2O2消毒较好 而 H2O2 一般条件下可采用电解硫酸铵的方式或氧阴极直接还原法生产 有报道采用吸附微生 物和直接在阳极氧化细胞内辅酶 A 的消毒方法 21 3 2 展展 望望 随着我国经济的迅猛发展和工业化进程的加快 环境保护已成为一个不容忽视的 问题 在发展经济的同时 必须与环境友好相处 相比其他水处理技术 电化学技术 拥有独特的优势 随着电化学技术的不断完善和发展 在净化环境的工作中突显了重 要作用 逐渐成为解决环境问题的有利工具 由于电化学技术存在着电极选择和保护 耗能高 处理水量小和受电极材催化活 性的极大限制等缺点 还不能广泛地应用于实际生活中 我们应该联系理论知识和实 践 找到更好的方法来克服电化学技术解决环境问题的困难 充分利用电化学技术的 优点 使电化学技术在环境工程领域中能都得到更好的应用 为我国的环保事业贡献 一份力量 参考文献参考文献 1 王正旭 水资源危机与国际关系 J 水利发展研究 2004 4 5 52 55 2 冯玉杰等 电化学技术在环境工程中的应用 M 北京 化学工业出版社 2002 3 王淑敏 王作辉 电化学的应用和发展 J 广州化工 2010 38 8 64 69 4 赵成军等 电化学方法在治理废水中的应用 J 化学工程与装备 2010 2 183 184 5 王刚等 电凝聚法在垃圾渗滤液处理中的应用 J 环境科学与技术 2006 29 8 80 82 6 卢炯元 王三反 电化学法处理废水的研究进展 J 工业科技 2004 33 4 72 7 KIRKDW SHARIFIAN H FOULKES F R Anodic Oxida tion of Aniline for Waste Water Treatment J J Appl Elec trochem 1985 15 285 292 8 COMIMELLIS C Electrocatalysis in the Electrochemical Conversion and Combustion of Organic Pollutants for Wastewa ter Treatment J Electrochem Acta 1994 39 1857 1862 9 杨少斌等 电化学氧化技术在印染废水处理中的应用 J 广东化工 2008 35 2 66 10 Schmal D In Environmental T