电化学方法-环保

阳理工大学

研究生课程考试卷

课程名称：应用电化学

年级：2014

专业：化学工程

考号：1482060260

学号：1482060260

姓名：坤坤

阅卷人：

废水处理的电化学法

一电化学法介绍

有机废水的处理的电化学法有电氧化法、电还原法、电凝聚法、电渗析法、电气浮法、磁电解法、微电解法等。

和其他废水处理法比较，电化学法具有适应面广、可控性强、流程简短、操作便等优点，同时也具有能耗大、成本高、有机物分解不彻底等缺点。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。

电化学处理工业废水主要是通过电解作用来完成的。电解质溶液在直流电的作用下使得废水中有害物质在阳极和阴极上进行氧化还原反应，沉淀在电极表面或沉淀在电解槽中，或生成气体从水中逸出，从而降低废水中有害物质的浓度或把有毒物质变成无毒、低毒物质。

电化学氧化法是指利用具有催化活性的电极氧化去除水中污染物的法，阳极可以通过氧化反应过程使污染物质氧化破坏，也可通过某些阳极反应产物（Cl2、ClO-、O2、H2O2）间接破坏污染物质。电化学氧化的法来处理含有机物的工业废水，就是在一定的电能条件下，让有机物进行缓慢燃烧，极缓慢氧化，使之最终生成CO2和H2O。

被氧化物质和电极基体直接进行电子传递的氧化法称为直接氧化法。根据被氧化物质氧化程度的不同，直接氧化法又分为2类:一是电化学转换，即被氧化物质未发生完全氧化。二是电化学燃烧，即被氧化物质彻底氧化为稳定的无机物。

电极表面的性质决定了被氧化物质的氧化程度。电极催化特性、电极结构与电化学反应器结构特性等操作条件是影响电化学氧化效率的重要因素。电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。常见的用于废水处理的电极材料有金属、碳素体、金属氧化物等。通过变换电极基体材料或用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性可以改变电极材料的性质。

金属电极在废水处理易发生钝化，电极的活性降低。因此常用贵金属作为阳极处理污水。碳素体种类很多，常用的有墨电极和活性炭电极。金属氧化物电极大多为半导体材料，钛基涂层电极是金属氧化物电极的主要形式。

为改善或加强传质，提高电极比表面积可以改变电极结构和反应器几形状。在电化学氧化过程中，常出现被氧化物在电极表面上形成聚合物膜的现象，使传质受到影响。为了提高电极比表面积，可以把电极做成多状、网状、球状、环状等多种形状。

电流密度是影响电化学反应速度的主要因素，但电流密度不能无限增大，当超过某一值后，过量的电子不经过电极反应，直接流进溶液，使电流效率下降。

利用电化学反应产生的氧化剂M氧化被氧化物质的法称为间接电化学氧化法。这时氧化剂M是被氧化物质与电极交换电子的中介体。常见的氧化剂是电化学反应过程中产生的短寿命中间物，如溶剂化电子，·OH，O2·和HO2·等。Comninellis[1]利用阳极上产生的含氧自由基成功实现了对含酚废水的处理。电极反应产生的其他形态的氧化剂主要是金属及其氧化物，如MnO2，CuO，NiO，Ag(Ⅰ/Ⅱ)等。当金属氧化物作氧化剂时，有机物氧化的电位区由这些金属氧化物的氧化还原电位所决定。为了得到高的电流效率，间接氧化法必须满足以下要求:①M的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应的电位;②M的产生速度足够大;

③M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。

二电化学在污水处理上的应用

2.1 油田废水处理

由于油勘探开发活动增多，所产生的污染物也随之增加，对环境造成的污染日趋重。油田废水成分复杂，除了含有可溶性盐类和重金属、悬浮的乳化的原油、固体颗粒、硫化氢等天然的杂质外，还含有一些用来改变采出水性质的化学添加剂，以及注入地层的酸类，除氧剂、润滑剂、杀菌剂、防垢剂等。电气浮法是一种利用电化学法去除水中的悬浮物、油、类、有机物等有害杂质的废水处理单元操作，它是将正负相同的多组电极安插于废水中，当通以直流电时，产生电解颗粒极化、电泳、氧化、还原、电解产物间及废水间的相互作用等，按阳极材料是否溶解可将电气浮法分为电凝聚气浮和电解气浮。当采用可溶性材料如铁、等作阳极时，称为电凝聚气浮。当用不溶性或惰性材料如墨、铂、二氧化钌等作阳极时，则称为电解气浮。采用电气浮法，处理效果好、建设期短、但电耗大。

江汉油学院的蓉沙使用电凝聚气浮对某油田的钻井污水进行了试验研究试验表明利用铁作为阳极的电凝聚气浮对钻井污水中的COD去除效果较为理想，能把进水COD 455.7mg/L去除到11.5mg/L，去除率高达97.5%，试验中电耗为1.2元/m3污水，但并未指明铁的消耗量。另外建筑工程学院的洪军利用电解气浮对油田废水中的处理进行了研究，结论是电解气浮可有效地去除油田废水中的油和COD，去除率为80%-90%[3]。

2.2 苯酚废水处理

苯酚广泛应用于制药及化工生产中，具有毒性大、难生物降解等特点，对人类及环境都有很大的危害。含酚废水是一种具有高生物毒性的难降解有机废水， 主要来源于焦化、 油炼制、 合成树脂等领域， 它具有污染面广、 排放量大、 危害重等特点；酚类化合物不仅会妨碍水生生物繁殖， 危害农业生产， 还会影响饮用水安全。

夏怡等[4]采用三维电极氧化降解苯酚废水，通过试验研究分析三维电 极对苯酚废水的氧化降解效果。以及不同因素对其氧化降解效果的影响，为该法的推广应用提供试验 依据。采用自制反应器氧化降解苯酚废水。通过试验分析反应时间、pH 、电解电压、Fe 2+投加量对三维电极氧化降解苯酚废水中苯酚去除效果的影响，并确定最佳反应条，反应时间为90 min ，pH=3，电解电压15 V ，Fe 2+投加浓度为l mmol/L ，对苯酚质量浓度为300 mg/L 的模拟废水的最大苯酚去除率达到91．2%。三维电极氧化降解有机物的试验原理是电化学氧化和还原反应。实验中外加亚铁离子，溶液中同时有Fenton 试剂反应发生。有机物的降解途径主要有以下几面：(1)电解过程中阳极电解生成氧化性极强的·OH ，直接氧化降解有机物。(2)在阴极通入的氧气，与阳极产生的氧气一同参与H 2O ：生成反应，H 2O 2迅速与溶液中的Fe 2+发生Fenton 反应生成·OH ，进一步氧化降解有机物。(3)粒子电极因静电感应带电。粒子两端发生电化学氧化和还原 反应产生·OH ，氧化降解有机物，缩短传质距离，提高了电流效率。具体反应如下：

阳极：-2e H OH O H ++→+? -22-e 4O O 2H OH 4+↑+→ 4

阴极：22-2O H 2e H 2O →+++ ++→+2-3Fe e Fe

溶液中：-3222OH OH Fe O H Fe ++→+?++

2.3 电化学-活性污泥耦合技术

电化学-活性污泥耦合技术具有效率高、 易于实现自动化、运行费用低廉、中间产物净化彻底等优点， 在难降解工业废水的处理领域具有广阔的应用前景。这种法并不是将电化学法与生物法机械地串联起来，而是强调利用电场产生的活性物质促进微生 物的生长，从而增强对有机污染物的降解能力，并利用电化学与生物的协同作用将废水中的污染物彻底去除。电化学-生物耦合法大大提高了电流效率，增强了对难降解有机物的处理效果，降低了运行成本，获得新的价值和效益。

电化学-生物耦合技术在废水处理中的作用机制大致可从电场对微生物的刺激作用、微生物对电场的影响及电场和微生物对污染物的作用三个面考虑[5]。 电场能够刺激微生物的生长和代。电场的强弱是影响电场对微生物作用的主要因素。适当强度的电场能够提高微生物的生长与代能力，对微生物生长有益。电场强度增大时会抑制微生物生长，当电场强度超出微生物的耐受围时，细胞将失去活性。因此，可以利用强电场对食品进行灭菌。另外，电解水会导致阳极产生氧气，以好氧环境为主，阴极产生氢气，以缺氧环境为主，这样能够大大提高某些微生物的活性，提高其反硝化作用。电场的存在对生物酶的活性及产量有一定的影响，同时电场也能够降解体系中的污染物，因此电化学-生物耦合技术对污染物的作用主要表现在两面：其一是提高污染物的去除率。够结合电场与微生物的各自优势来提高对污染物的降解效果。其二是改变污染物的降解或转化途径。电化学与生物法相结合很可能会改变有机污染物的降解途径。

2.4 丙烯腈废水

丙烯腈是一种无色、苦杏仁味的高毒类有机氰，也是常见的职业环境污染物。其作为一种重要的化工原料，广泛应用于制造腈纶纤维，丁腈橡胶，ABS工业塑料和合成树脂等领域。在我国确定的52种优先控制的有毒化学品中排名第四，具有高毒性及潜在的遗传毒性，是环境中重要的有害污染物之一，不仅破坏水体生态系统，还危害人类的生命健康。目前，处理高浓度丙烯腈废水的法主要有焚烧法、湿式氧化法和生物法，但均有局限性。褚兆晶等[6]以丙烯腈废水为研究对象，进行废水预处理对提高废水的可生化性和后续好氧生物处理效率的研究。实验采用电化学氧化法对难降解丙烯腈废水处理效果进行了单因子试验，分析了电压、电解时间、氯离子质量浓度对废水色度及COD Cr的去除效果，以及对废水可生化性的影响。实验结果显示，电化学氧化法在电压5 V，pH为3.00，反应时间6 h，搅拌速率为250 r·min-1，氯离子质量浓度为5000 mg·L-1的条件下，对COD Cr 1156 mg·L-1，色度512倍的丙烯腈废水中COD Cr去除率达到60%，色度的去除率达到90%，并使废水的可生化性明显提高。COD Cr去除率和色度去除率随电解时间、电压增加而增大，电解时间达5 h、电压大于5 V以后使水电解副反应更容易发生，对有机物的降解速率减小，同时随电解时间延长，能耗逐渐增大，处理成本增大；氯离子质量浓度对电解效果影响较大，适量增大氯离子质量浓度，可以提高COD Cr的去除率。

参考文献

[1]翠，电化学氧化法在废水处理中的应用[J].工业科技，2004，21(1):49-52.

[2]Proceedings of the Sixth International Forum on Electrolysis.Environmental

Applications of Electrochemical Technology[M].New York:Electrochem Acta，1994.39:1857-1862.

[3]邹启贤,陆正禹. 油田废水处理综述[J].工业水处理，2001,21（8）：1-3.

[4]夏怡,亚峰,等. 三维电极氧化降解苯酚废水的试验研究[J].工业水处理，2010,

30（5）: 27-29.

[5]靳培培，电化学-活性污泥耦合技术处理苯酚废水研究[D].大学，2014.

[6]褚兆晶, 婷, 等. 电化学氧化处理丙烯腈废水及对可生化性的提高[J].生态环

境学报, 2010, 19(8): 1956-1959