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高效電化學(xué)法反應(yīng)器廢水處理設(shè)備

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隨著世界各國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢水的排放量急劇增加，尤其是化學(xué)、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品等行業(yè)排放的廢水，其濃度高、色度大、毒性強(qiáng)，含有大量生物難降解的成分，給帶來(lái)了嚴(yán)重的水體污染

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隨著世界各國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢水的排放量急劇增加，尤其是化學(xué)、農(nóng)藥、染料、醫(yī)藥、食品等行業(yè)排放的廢水，其濃度高、色度大、毒性強(qiáng)，含有大量生物難降解的成分，給帶來(lái)了嚴(yán)重的水體污染。近年來(lái)，一種高級(jí)氧化技術(shù)（Advanced Oxidation Technologies，AOT），即利用光、聲、電、磁或無(wú)毒試劑催化氧化技術(shù)處理有機(jī)廢水，尤其是那些難于生化降解、對(duì)人類健康危害極大的“三致”（致癌、致畸、致突變）有機(jī)污染物，已成為當(dāng)前世界水處理相當(dāng)活躍的領(lǐng)域。電化學(xué)水處理技術(shù)是高級(jí)氧化技術(shù)的一種，因其具有其他水處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。
一、電化學(xué)水處理技術(shù)及其優(yōu)點(diǎn)
電化學(xué)水處理技術(shù)是指在外加電場(chǎng)的作用下，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，通過一系列設(shè)計(jì)的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)過程或物理過程，產(chǎn)生大量的自由基，進(jìn)而利用自由基的強(qiáng)氧化性對(duì)廢水中的污染物進(jìn)行降解的技術(shù)過程，是高級(jí)氧化技術(shù)的一種。
作為一種清潔的處理工藝，電化學(xué)技術(shù)與其他水處理技術(shù)相比，具有的優(yōu)點(diǎn)：
(1)具有多功能性。電化學(xué)技術(shù)除可用電化學(xué)氧化還原反應(yīng)使毒物降解、轉(zhuǎn)化外，還可用于懸浮物或膠體體系的相分離（如電浮選分離）等。電化學(xué)技術(shù)的這種多功能性使電化學(xué)技術(shù)具有廣泛的選擇性，在廢水、廢氣、有毒物處理等多方面發(fā)揮作用。
(2)具有高度的靈活性。電化學(xué)技術(shù)兼具氣浮、絮凝、殺菌等多功能，必要時(shí)，陰極、陽(yáng)極可同時(shí)發(fā)揮作用。它既可以作單獨(dú)處理工藝使用，也可以與其他處理工藝相結(jié)合，如作為前處理，可將難降解的有機(jī)物或生物毒性污染物轉(zhuǎn)化為可生物降解物質(zhì)，從而提高廢水的可生物降解性。
(3)無(wú)污染或少污染性。電化學(xué)過程中產(chǎn)生的·無(wú)選擇地直接與廢水中的有機(jī)污染物反應(yīng)，將其降解為二氧化碳、水和簡(jiǎn)單的有機(jī)物，沒有或很少產(chǎn)生二次污染。電子是電化學(xué)反應(yīng)的主要反應(yīng)物，而且電子轉(zhuǎn)移只在電極與廢物組分之間進(jìn)行，不需添加任何氧化劑、還原劑，避免了由于添加化學(xué)藥劑而引起的二次污染，而且還可通過控制電位，使電極反應(yīng)具有高度的選擇性，防止副反應(yīng)發(fā)生。
(4)易于控制性。電化學(xué)過程一般在常溫常壓下進(jìn)行，其化學(xué)過程的主要運(yùn)行參數(shù)是電流和電位，易于控制和測(cè)定。因此，整個(gè)過程的可控程度乃至自動(dòng)控制水平都較高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
(5)經(jīng)濟(jì)性。電化學(xué)系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)，其能量效率也比較高，因此，操作與維護(hù)費(fèi)用低。同時(shí)，作為一種清潔的處理工藝，其設(shè)備占地面積小，特別適用于人口擁擠城市的污水處理。
二、電化學(xué)水處理的方法
1、電凝聚法
電凝聚法也叫電氣浮法，即在外電壓作用下利用可溶性陽(yáng)極(鐵或鋁)產(chǎn)生大量陽(yáng)離子，對(duì)膠體污染物進(jìn)行凝聚，同時(shí)陰極上析出大量氫氣微氣泡，與絮體粘附在一起上浮，從而實(shí)現(xiàn)污染物的分離。電凝聚法中，通常采用的陽(yáng)極材料為金屬鋁或鐵，由于該方法在消耗鋁材的同時(shí)還消耗大量的能源，因而它的應(yīng)用受到了一定的限制。當(dāng)前的發(fā)展方向是通過改進(jìn)電源技術(shù)、研究新型電極材料及結(jié)構(gòu)，使電能消耗和材料消耗進(jìn)一步降低。
2、電化學(xué)氧化法
電化學(xué)氧化原理是：有機(jī)物的某些官能團(tuán)具有電化學(xué)活性，通過電場(chǎng)的強(qiáng)制作用，官能團(tuán)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而改變了有機(jī)物的化學(xué)性質(zhì)，使其毒性減弱以至消失，增強(qiáng)了生物可降解性。電化學(xué)氧化法主要分為直接氧化法和間接氧化法兩種。直接氧化法是通過陽(yáng)極氧化使污染物直接轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)；間接氧化法則是通過陽(yáng)極反應(yīng)之外的中間反應(yīng)，使污染物氧化，最終轉(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)。通過改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)，可以提高污染物的去除效果，并降低能耗。
3、電沉積法
電解液中不同金屬組分的電勢(shì)差，使得自由態(tài)或結(jié)合態(tài)的溶解性金屬在陰極析出。電沉積法在處理低濃度金屬離子廢水的同時(shí)能回收金屬，且無(wú)二次污染。適宜的電勢(shì)是電沉積發(fā)生的關(guān)鍵。該法處理含金屬離子廢水的技術(shù)核心是新型電極結(jié)構(gòu)電解槽的設(shè)計(jì)。針對(duì)不同污染物和不同生產(chǎn)狀況，可采用不同的電解槽進(jìn)行處理。
4、內(nèi)電解法
內(nèi)電解法原理是：具有較強(qiáng)還原性的Fe2+使廢水中某些氧化組分還原；Fe(OH)2具有絮凝作用；活性炭具有吸附作用，可吸附有機(jī)物及微生物；鐵-碳構(gòu)成的原電池產(chǎn)生微弱電流，對(duì)微生物的生長(zhǎng)和代謝具有刺激作用。內(nèi)電解法能“以廢治廢”，不消耗能源，能去除廢水中多種污染成分和色度，還能提高難降解物的可生化性。內(nèi)電解柱內(nèi)的填料一般為廢鐵屑和活性炭(或石墨)，再輔以疏松劑。該法通常作為預(yù)處理方法與其他方法結(jié)合使用，提高廢水的可生化性，為進(jìn)一步處理創(chuàng)造有利條件。該技術(shù)的缺點(diǎn)：一是反應(yīng)速度比較慢，反應(yīng)器易阻塞，處理高濃度廢水比較困難；二是由于在反應(yīng)過程中有鐵損耗，需不斷地補(bǔ)充鐵屑；三是反應(yīng)前、后均需要用大量的酸和堿來(lái)調(diào)節(jié)廢水pH值。
5、電滲析法
電滲析(ED)技術(shù)是膜分離技術(shù)的一種，它是將陰、陽(yáng)離子交換膜交替排列于正、負(fù)電極之間，并用特制的隔板將其隔開，組成淡化和濃縮兩個(gè)系統(tǒng)，在直流電場(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質(zhì)從溶液中分離出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)溶液凈化。電滲析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：能量消耗低、藥劑耗量少、環(huán)境污染小、操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化、設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)是在運(yùn)行過程中易發(fā)生濃差極化而結(jié)垢。
6、其他電化學(xué)方法
電吸附、離子交換輔助電滲析以及電化學(xué)膜分離等技術(shù)不僅可以用作清潔生產(chǎn)工藝，預(yù)防環(huán)境污染，而且它們也是有效的工業(yè)廢水處理方法。電吸附法可以用來(lái)分離水中低濃度的有機(jī)物和其他物質(zhì)；離子交換輔助電滲析法具有可多樣化設(shè)計(jì)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，已成為環(huán)保開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)技術(shù)；電化學(xué)膜分離技術(shù)是利用膜兩側(cè)的電勢(shì)差進(jìn)行物質(zhì)分離，常用于氣態(tài)污染物的分離。
三、有機(jī)廢水的處理
1、持久性有機(jī)污染物
電化學(xué)氧化技術(shù)借助具有電催化活性的陽(yáng)極材料，能形成氧化能力*的羥基自由基(-OH)，既能使持久性有機(jī)污染物發(fā)生分解并轉(zhuǎn)化為無(wú)毒可生化降解物質(zhì)，又可將之*礦化為二氧化碳或碳酸鹽等物質(zhì)。該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于持久性有機(jī)污染物廢水處理，不僅可彌補(bǔ)其他常規(guī)處理工藝的不足，還可與多種處理工藝有機(jī)結(jié)合，提高水處理的經(jīng)濟(jì)性。電化學(xué)氧化過程中，具有電活性的陽(yáng)極表面能起到吸附、催化、氧化等多種轉(zhuǎn)化功能。低濃度的持久性有機(jī)污染物廢水電導(dǎo)率很低，為了增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性需要加入強(qiáng)電解質(zhì)(如氯化鈉、硫酸鈉)。
2、酚類
目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于含酚廢水的研究較多，此類廢水來(lái)源廣、污染重，是芳香化合物的代表。電化學(xué)氧化含酚廢水的影響因素有初始濃度、廢水pH值、電流密度、支持電解質(zhì)種類等。周明華等[4]以經(jīng)氟樹脂改性的β-PbO2為陽(yáng)極，處理含酚模擬廢水，在電壓為7.0 V，pH值為2.0的條件下，其COD可降至60 mg/L以下，揮發(fā)酚可*去除?？锷倨降仍诟綦x陰、陽(yáng)極室條件下進(jìn)行了電化學(xué)法降解含酚廢水試驗(yàn)，的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%以上；同時(shí)，分別對(duì)鉛電極和鈦上電沉積二氧化鉛的電極作為陽(yáng)極進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Ti/PbO2電極對(duì)的降解更加*。
3、硝基苯類化合物
硝基苯類化合物屬于生物難降解物質(zhì)，用電化學(xué)催化系統(tǒng)處理此類廢水具有一定的意義。以DSA類電極作為陽(yáng)極，對(duì)模擬硝基苯廢水進(jìn)行的降解試驗(yàn)表明，當(dāng)電流密度為15 mA/cm2時(shí)，CODCr的去除率可達(dá)到90%以上。謝光炎等以自制PbO2為陽(yáng)極，在堿性條件(pH=10)下電解134 min，硝基溶液的質(zhì)量濃度從200 mg/L降至1 mg/L以下，BOD/COD值達(dá)到0.63，表明該工藝對(duì)后續(xù)生化處理有重要的實(shí)用價(jià)值。
四、重金屬離子廢水處理
與傳統(tǒng)的二維電極相比，電沉積法的三維電極能夠增加電解槽的面體比，且因粒子間距小而增大了物質(zhì)傳質(zhì)速度，提高電流效率和處理效果。利用三維電極主要是處理含Cu2+和Hg2+等的重金屬?gòu)U水，三維電極所提供的特殊表面和很大的傳質(zhì)速率，能有效地處理稀溶液，這種電極能在幾分鐘內(nèi)將金屬質(zhì)量濃度從100 mg/L降至0.1 mg/L，除去重金屬離子的效率高，需要的空間少。離子交換樹脂與銅粒等比例混合制成的復(fù)合三維電極固定床電化學(xué)反應(yīng)器，用于處理低濃度含銅廢水，且無(wú)須加入支持電解質(zhì)(如硫酸)，出口銅質(zhì)量濃度為0.008 mg/L，達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
五、氨氮和氰廢水處理
電催化氧化法去除氨氮的原理是：廢水進(jìn)入電解系統(tǒng)后，在不同條件下，陽(yáng)極上可能發(fā)生兩種氧化反應(yīng)：一是氨直接被氧化成氮?dú)饷摮欢前遍g接電氧化。即通過電極反應(yīng)生成氧化性物質(zhì)，該物質(zhì)再與氨反應(yīng)，使氨降解、脫除。液態(tài)化電極電解法首先將含氰廢水中的CN-氧化為氰酸根，再進(jìn)一步氧化為CO2和H2O。由于低濃度含氰廢水中的電解質(zhì)濃度低，電解時(shí)極間電壓高，電流效率低，故一般加入NaCl作電解質(zhì)。采用液態(tài)化電極時(shí)，電極反應(yīng)在膨脹石墨顆粒表面進(jìn)行，廢水的循環(huán)流動(dòng)和膨脹石墨顆粒的頻繁碰撞，使得液態(tài)石墨顆粒間的傳質(zhì)速度加快，濃差極化和電化學(xué)極化現(xiàn)象顯著減小，從而加快反應(yīng)的進(jìn)行。
小結(jié)
電化學(xué)水處理技術(shù)對(duì)有機(jī)物有特殊的降解能力，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，在環(huán)境保護(hù)中占有重要的位置。當(dāng)前，新電極材料、膜、電解質(zhì)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等的研究開發(fā)、電化學(xué)降解機(jī)理的探究是電化學(xué)水處理技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)。我們相信，隨著電化學(xué)理論的不斷完善和實(shí)驗(yàn)室研究的不斷深入，電化學(xué)水處理技術(shù)必將在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，在廢水處理方面得到廣泛的應(yīng)用。