浅谈电化学在环境工程中的应用

浅谈电化学在环境工程中的应用

摘要：

概述了电化学在环境保护中的优越性,综述了电化学处理环境污染物的基本方法及原理, 简单介绍了电化学技术在环境工程特别是在处理环境污染物中的应用 ,展望了电化学在环境治理领域的应用前景和发展方向。

关键词：电化学环境工程环境污染物

正文：

电化学是物理化学中的一个重要组成部分。电化学主要是研究电能与化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。它是一门重要的边缘学科，应用范围很广。随着全球环境状况的日益严峻,环境保护及污染物处理问题引起了全世界人们的高度重视。电化学技术由于其自身的优点和特性, 近年来在环境工程中也得到了广泛的应用。

1 电化学在环境保护方面的优越性体现在以下几点：1)在电化学过程中使用高效、清洁的电子作为强氧化还原试剂,是一种基本上对环境无污染的绿色技术,环境兼容性高。2)由于电化学过程使用电场能为反应动力, 所以能量利用率高。

3)电化学利用电流和电压的变化就能对物质进行氧化或还原,易测定和自动控制。4)多功能性电化学过程具有直接或间接氧化与还原、相分离、浓缩与稀释、生物杀伤等功能。同时，与生化法相比,电化学方法一般不受反应物生物毒性的影响,可以作为高毒性、高腐蚀性有机物的有效处理方法,也可以作为生化方法的预处理。5)电化学技术仪器设备简单,易自动化,便于携带,灵敏度和准确度高,选择性好。

2 电化学技术处理环境污染物常用的基本方法及原理

(1)电化学氧化

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。

(2)电化学还原

通过阴极还原反应去除环境污染物。同电化学氧化一样,分为阴极直接还原和间接还原。主要用于氯代烃的脱氯和重金属的回收。

(3) 电渗析

依靠在电场作用下选择性透过膜的独特功能,使离子从一种溶液进入另一种溶液中,达到对离子化污染物的分离和浓缩。利用电渗析处理金属离子时并不能直接回收到固体金属,但能得到浓缩的盐溶液,并使出水水质得到明显改善。(4)电吸附

利用电极作为吸附表面,像传统吸附过程一样进行化学物质的回收。它可以用来分离水中低浓度的有机物和其他物质。

(5)电凝聚

电凝聚也叫电浮选,即依靠电场的作用,通过电解装置的电极反应,产生直径很小的气泡,用以吸附系统中直径很小的颗粒物质,使之分离;或者在电浮选过程中,选用铝质或铁质的可溶性阳极,利用电解来氧化铁屑、铁板、铝板等生成Fe2 + 、Fe3 + 或Al3 + ,再凝聚成Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 、Al (OH) 3 等沉淀物,以实现污染物的分离。

(6) 光电化学氧化

亦称为电助光催化。通过半导体材料吸收可见光和紫外光的能量,产生“电子- 空穴”对,并储存多余的能量,使得半导体粒子能够克服热动力学反应的屏障,作为催化剂使用,进行一些催化反应。

(7) 电沉积

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。适宜的电势是电沉积发生的关键。无论金属处于何种状态,均可根据溶液中离子活度的大小,由能斯特方程确定电势的高低,同时溶液组成、温度、超电势和电极材料等也会影响电沉积过程。

(8) 电化学膜分离

利用膜两侧的电势差进行的分离过程。常用于气态污染物的分离。

3 电化学技术在环境工程中的具体应用简单举例

(1)无机废液的处理

在电镀、冶金及印刷工业中常产生大量的含重金属离子的废水,如有毒重金属离子、氰化物、硫氰酸盐、硫酸盐、硫化物、氨等,一般采用沉淀法进行处理。但对于碱性溶液中的络合金属离子,此法并不十分有效。应用电化学氧化还原、光电化学氧化、电沉积等电化学处理技术可以将废水中的金属离子质量浓度控制在满意的水平。

(2)有机废液的处理

电化学方法可以将有机污染物完全降解为CO2和H2O ,此过程被称为“电化学燃烧”。例如对酚类、含氮有机染料、氰化物等的处理,有机污染物也可以不完全降解,即发生间接电化学反应,利用电极反应产生强氧化作用的中间物质,将有机污染物(不可降解物质) 氧化转变为可降解物,然后再进行生物处理,最终将其彻底降解。

(3)废气处理

化工厂、热电厂等在生产中会排放出许多含有毒、有害物质(如Cl2 、H2S、SO2 、NOx 、CO2 等) 的气体。采用电化学方法可处理净化上述废气。电化学方法去除气态污染物包含两个步骤:首先,气态污染物通过电解液被吸附或吸收,然后污染物直接在电极上发生电化学转换,或间接利用均相、异相氧化还原媒介对污染物进行转换,使其转化为无害物质。

(4)土壤的电化学修复

利用电化学方法可以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化合物。电化学修复土壤的方法与燃烧法相比,成本低、操作简单。其做法是将电极插入土壤,加上直流电,以地下水或外加电解质作电解液。主要反应是阳极放氧和阴极放氢,离子则以电迁移、对流和扩散的方式在土壤中运动。若是重金属离子,则在阴极沉积而除去；若是有机污染物会随含带电离子的液体做电渗流动,然后通过辅助设备,例如离子交换膜或化学沉淀去除。电化学方法清除污染物的过程包括电迁移、电渗和电泳3 种机制。

(5)电化学技术在环境监测中的应用

由于电化学分析法比较简便、经济、分析灵敏度高,自上世纪60 年代以来,电化学技术在环境监测领域的发展十分迅速,迄今已在许多工业部门的环境监测中获得广泛应用。电化学技术可作为传感器、监控器、控制器, 用于H+ 、O2 、

CO2 、SO2 、NO2 、NH3 、COD、BOD、神经性气体、金属离子等的分析和控制。

4 结语

电化学技术作为一种“清洁技术”,具有快速、灵敏、准确、高效、结构简单、安全可靠、便于自动化等优点, 在净化环境的工作中正日益显示出独特的优越性,逐渐成为解决环境问题的有利工具。尽管在实际应用中还存在着许多问题，但相信随着电化学技术的不断完善和发展,其必将在环境领域中充分发挥其优势,具有更多的实际应用价值和良好的发展空间。

参考文献

【1】冯玉杰.电化学技术在环境工程中的应用.化学工业出版社.

【2】物理化学.重庆大学出版社.

【3】陈薇,邓冰葱.电化学在环境工程领域中的应用.化学与粘合.