电化学水处理技术说课讲解
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在直接或间接氧化过程中，一般都伴有析出H2 或O2 的副反应，但通 过电极材料的选择和电势控制可使副反应得到抑制。电化学氧化技术在 生活污水和工业废水的处理中已有一定的应用，并取得良好的效果。
电氧化电极
电极在电氧化技术中处于“心脏”的地位，我们希望电极对 所处理的物质表现出高的反应速率，且具好的选择性，则电氧化 电极应具有良好的导电性、高的催化活性和良好的稳定性。
。同时阴极上析出大量氢气微气泡，与絮凝污物一起上浮并从废水中除去，
从而实现污染物的分离。
气浮池
平流式气浮池
气浮装置
竖流式气浮池
电气浮法的局限性和发展方向
电气浮法中，通常采用的阳极材料为金属铝或铁， 由于该方法在消耗铝材的同时还消耗大量的能源，因而 它的应用受到了一定的限制。
当前的发展方向是通过改进电源技术、Biblioteka Baidu究新型电 极材料及结构，使电能消耗和材料消耗进一步降低。
④双极性膜电渗析（EDMB），由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换膜及两层 膜之间的中间层构成。当阳极和阴极间施加电压时，电荷通过离子进行传递，若没 有离子存在，电流将由水解电离的 和 传递。
② 填充电渗析（EDI），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，综合了电渗析和离子交换法的优点，并克服了各自缺点，提高了极限电流密度 和电流效率的作用。
③ 高温电渗析，优点在于能使溶液 的粘度下降，提高扩散速度，增大溶液和膜的 电导，从而可以提高允许密度，提高设备的生产能力或者降低动力消耗，从而降低 处理费用。 通过实验，高温电渗析对降低能耗的效果是显著的，尤其是对有余热 可利用的工厂更为适宜。
改进——复合金属氧化物电极
3、 内电解法
内电解法又称为微电解法，是基于电 化学反应的氧化还原、电池反应产物的絮 凝、铁屑对絮体的电附集、新生絮体的吸 附以及床层过滤的综合作用。微电解法以 铁屑和炭构成原电池，污染物在正，负极 上生化学反应，加上原电池自身的电附集 、物理吸附及絮凝等作用达到去除污染物 的目的。微电解法不消耗能源，处理费用 低，使用的铁屑多来自切削工业的废料， 具有以废治废的意义。
O2 +4 +4e− →H2O ， (O2/H2O) = 1.22V
O2+2H2O+4e− → 4 ，
(O2/ )=0.41V
作用机理
1. 氢的还原作用 电极阴极产生新生态氢具有较大的活性，能与废水中某些组分发生还原作用，破坏 发色物质发色结构，使偶氮基断裂，大分子分解成小分子，硝基化合物还原为胺基 化合物，达到脱色的目的且使废水组成向易生化方向转变。
电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种，属于阳极过程。直接 氧化是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质；间接氧化则是通过 阳极反应产生具有强氧化作用的中间物质或发生阳极反应之外的中间反 应，使被处理污染物氧化，最终转化为无害物质。
对于阳极直接氧化而言，如反应物浓度过低会导致电化学表面反应 受传质步骤限制；对于间接氧化，则不存在这种限制。
铁碳内电解填料
内电解法的反应器中堆填铁屑、颗粒活性炭，它们在废水中
形成无数个微小的原电池，铁屑为阳极，颗粒炭为阴极，其电极 反应为：
阳极：Fe -2e→
， ( /Fe)=-0.440v
阴极：2 +2e → 2H•→ H2 ， ( /H )=-0.000V
(在酸性或偏酸性溶液中)
当有 O2 时(在中性或碱性溶液中)：
目前常采用的电极仍然是石墨、铝板、铁板、不锈钢和一 些不溶性电极如PbO2及一些贵金属电极如Pt等。石墨 电极强度较 差，在电流密度较高时电极损耗较大，电流效率低。而铝板或铁 板为可溶性电极，电极本身材料消耗量大，成本高，因此产生的 污泥量也大。不溶性电极PbO2的氧化能力虽然高于石墨电极，鉴 于目前用于有机废水氧化降解处理中时间长、效率低，而且电极 容易因污染而失活，电极材料种类不多且工作寿命不长。
2、电化学氧化法
电催化氧化是通过阳极反应直接降解有机物，通过阳极和催化 材料反应产生的超氧自由基（•O2）、H2O2、羟基自由基（•OH） 等一类活性基团来氧化降解水体中的有机物。该方法具有有机物氧 化彻底，不易产生有毒中间产物，无二次污染等优点。
电化学氧化原理是：有机物的某些官能团具有电化学活性， 通过电场的强制作用，官能团结构发生变化，从而改变了有机物 的化学性质，使其毒性减弱以至消失，增强了生物可降解性。
2. 铁的混凝作用 从阳极得到的 离子在有氧和碱性条件下会生成Fe(OH)2和Fe(OH)3。具有强吸 附能力的Fe(OH)3胶体吸附废水中的悬浮物、一些不溶物及不溶性染料，使其凝聚 沉降。
3. 铁屑的还原吸附和活性炭吸附作用 在弱酸性溶液中，比表面积丰富的铁屑利用其较高的表面活性吸附多种金属离子， 促进金属去除。而铸铁是多孔性物质，利用高表面活性吸附废水中有机污染物。活 性炭吸附能力强，废水中的固体颗粒易被它吸附。
电化学水处理技术
按技术方法分类
电气浮法 电化学氧化法 内电解法 电渗析法 电吸附法
1、电气浮法
电气浮法也叫电凝聚法或电凝聚气浮法，即在外电压作用下利用可溶性
阳极(铁或铝)产生等大量阳离子
，通过絮凝生成Fe(OH)2、
Fe(OH)3、Al(OH)3 等沉淀物，对胶体污染物进行凝聚，以去除水中的污染物
4. 电泳作用 在微电池周围电场作用下，废水中胶体状态的带电污染物在静电引力和表面能的作 用下，向带有相反电荷的电极移动，附集并沉积在电极上而得以去除。
4、电渗析法
电渗析(ED)技术是膜分离技术的一种，它是将阴、阳离子交换膜交替排 列于正、负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统， 在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电 解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。
几种常见的电渗析过程
① 倒极电渗析（EDR），为电渗析的应用前景提供了一个重要方向，根据ED原理， 每隔一定时间，正负电极极性相互倒换（频繁倒极），能自动清洗离子交换膜和电 极表面形成的污垢、以确保离子交换膜效率的长期稳定性。在废水处理方面的应用 有其独到之处，EDR水循环，水回收率最高可达95%，它的服役寿命长，管理简单， 与其他方法相比更有竞争力。
电氧化电极
电极在电氧化技术中处于“心脏”的地位，我们希望电极对 所处理的物质表现出高的反应速率，且具好的选择性，则电氧化 电极应具有良好的导电性、高的催化活性和良好的稳定性。
。同时阴极上析出大量氢气微气泡，与絮凝污物一起上浮并从废水中除去，
从而实现污染物的分离。
气浮池
平流式气浮池
气浮装置
竖流式气浮池
电气浮法的局限性和发展方向
电气浮法中，通常采用的阳极材料为金属铝或铁， 由于该方法在消耗铝材的同时还消耗大量的能源，因而 它的应用受到了一定的限制。
当前的发展方向是通过改进电源技术、Biblioteka Baidu究新型电 极材料及结构，使电能消耗和材料消耗进一步降低。
④双极性膜电渗析（EDMB），由层压在一起的阳离子交换膜、阴离子交换膜及两层 膜之间的中间层构成。当阳极和阴极间施加电压时，电荷通过离子进行传递，若没 有离子存在，电流将由水解电离的 和 传递。
② 填充电渗析（EDI），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，综合了电渗析和离子交换法的优点，并克服了各自缺点，提高了极限电流密度 和电流效率的作用。
③ 高温电渗析，优点在于能使溶液 的粘度下降，提高扩散速度，增大溶液和膜的 电导，从而可以提高允许密度，提高设备的生产能力或者降低动力消耗，从而降低 处理费用。 通过实验，高温电渗析对降低能耗的效果是显著的，尤其是对有余热 可利用的工厂更为适宜。
改进——复合金属氧化物电极
3、 内电解法
内电解法又称为微电解法，是基于电 化学反应的氧化还原、电池反应产物的絮 凝、铁屑对絮体的电附集、新生絮体的吸 附以及床层过滤的综合作用。微电解法以 铁屑和炭构成原电池，污染物在正，负极 上生化学反应，加上原电池自身的电附集 、物理吸附及絮凝等作用达到去除污染物 的目的。微电解法不消耗能源，处理费用 低，使用的铁屑多来自切削工业的废料， 具有以废治废的意义。
O2 +4 +4e− →H2O ， (O2/H2O) = 1.22V
O2+2H2O+4e− → 4 ，
(O2/ )=0.41V
作用机理
1. 氢的还原作用 电极阴极产生新生态氢具有较大的活性，能与废水中某些组分发生还原作用，破坏 发色物质发色结构，使偶氮基断裂，大分子分解成小分子，硝基化合物还原为胺基 化合物，达到脱色的目的且使废水组成向易生化方向转变。
电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种，属于阳极过程。直接 氧化是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质；间接氧化则是通过 阳极反应产生具有强氧化作用的中间物质或发生阳极反应之外的中间反 应，使被处理污染物氧化，最终转化为无害物质。
对于阳极直接氧化而言，如反应物浓度过低会导致电化学表面反应 受传质步骤限制；对于间接氧化，则不存在这种限制。
铁碳内电解填料
内电解法的反应器中堆填铁屑、颗粒活性炭，它们在废水中
形成无数个微小的原电池，铁屑为阳极，颗粒炭为阴极，其电极 反应为：
阳极：Fe -2e→
， ( /Fe)=-0.440v
阴极：2 +2e → 2H•→ H2 ， ( /H )=-0.000V
(在酸性或偏酸性溶液中)
当有 O2 时(在中性或碱性溶液中)：
目前常采用的电极仍然是石墨、铝板、铁板、不锈钢和一 些不溶性电极如PbO2及一些贵金属电极如Pt等。石墨 电极强度较 差，在电流密度较高时电极损耗较大，电流效率低。而铝板或铁 板为可溶性电极，电极本身材料消耗量大，成本高，因此产生的 污泥量也大。不溶性电极PbO2的氧化能力虽然高于石墨电极，鉴 于目前用于有机废水氧化降解处理中时间长、效率低，而且电极 容易因污染而失活，电极材料种类不多且工作寿命不长。
2、电化学氧化法
电催化氧化是通过阳极反应直接降解有机物，通过阳极和催化 材料反应产生的超氧自由基（•O2）、H2O2、羟基自由基（•OH） 等一类活性基团来氧化降解水体中的有机物。该方法具有有机物氧 化彻底，不易产生有毒中间产物，无二次污染等优点。
电化学氧化原理是：有机物的某些官能团具有电化学活性， 通过电场的强制作用，官能团结构发生变化，从而改变了有机物 的化学性质，使其毒性减弱以至消失，增强了生物可降解性。
2. 铁的混凝作用 从阳极得到的 离子在有氧和碱性条件下会生成Fe(OH)2和Fe(OH)3。具有强吸 附能力的Fe(OH)3胶体吸附废水中的悬浮物、一些不溶物及不溶性染料，使其凝聚 沉降。
3. 铁屑的还原吸附和活性炭吸附作用 在弱酸性溶液中，比表面积丰富的铁屑利用其较高的表面活性吸附多种金属离子， 促进金属去除。而铸铁是多孔性物质，利用高表面活性吸附废水中有机污染物。活 性炭吸附能力强，废水中的固体颗粒易被它吸附。
电化学水处理技术
按技术方法分类
电气浮法 电化学氧化法 内电解法 电渗析法 电吸附法
1、电气浮法
电气浮法也叫电凝聚法或电凝聚气浮法，即在外电压作用下利用可溶性
阳极(铁或铝)产生等大量阳离子
，通过絮凝生成Fe(OH)2、
Fe(OH)3、Al(OH)3 等沉淀物，对胶体污染物进行凝聚，以去除水中的污染物
4. 电泳作用 在微电池周围电场作用下，废水中胶体状态的带电污染物在静电引力和表面能的作 用下，向带有相反电荷的电极移动，附集并沉积在电极上而得以去除。
4、电渗析法
电渗析(ED)技术是膜分离技术的一种，它是将阴、阳离子交换膜交替排 列于正、负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统， 在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电 解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。
几种常见的电渗析过程
① 倒极电渗析（EDR），为电渗析的应用前景提供了一个重要方向，根据ED原理， 每隔一定时间，正负电极极性相互倒换（频繁倒极），能自动清洗离子交换膜和电 极表面形成的污垢、以确保离子交换膜效率的长期稳定性。在废水处理方面的应用 有其独到之处，EDR水循环，水回收率最高可达95%，它的服役寿命长，管理简单， 与其他方法相比更有竞争力。