第5篇 电化学技术在废水处理中的应用

电化学技术在废水处理中的应用

摘要：介绍了电化学技术的基本作用机理，以及不同的电化学技术在处理废水中的应用，并展望了该技术的发展方向。

关键词：作用机理电化学废水

1、前言

随着环境科学技术的发展，更为高效、经济的污染物处理技术逐步得到重视和利用，电化学技术处理环境污染物就是新近发展起来的环境污染控制技术之一，电化学技术具有运行成本低、效率高，不产生二次污染，设备简单，兼具气浮、絮凝、杀菌，尤其对难生物降解有毒污染物的去除非常有效，是目前国内外研究较为活跃的领域。

2、反应机理

电极反应随着反应器所采用的电极材料或反应器填料变化而变化。在电沉积工艺中，通常采用石墨、碳芯片和碳纤维等作为反应器阴极材料，而采用碳钢、铜、镀铂钛、不锈钢和石墨等作为阳极材料[1]。对微电解工艺而言，常用的反应材料基本上是铁屑(铸铁屑和钢铁屑)和铝屑，同时加入石墨或碳粒以增加反应器内形成的原电池数量。朱又春等人[2]推荐微电解反应材料的设计方案是：SA—1(Al—3Zn—0.1Sn)铝合金+焦炭(石墨)或A3碳钢(市售薄板材)+焦炭(石墨)所组成的混合填充体，且阴阳极面积比为1：1~20。马业英等人[3]采用磁性铸铁粉处理含铬废水，取得了极佳的净化效果。

在电沉积反应器中，由于外加电场的存在而在阴阳两极产生电位差，以具有一定导电性的废水作为电解质，产生电解反应，阳极材料腐蚀溶解，阴极产生析氢反应；而在微电解反应器中，由于电极材料自身的电位不同而在废水中产生电位差，形成无数的原电池，从而产生电极反应并引发一系列的化学反应。下面以目前应用较为广泛的Fe／c电极对为电极材料，分析反应器中发生的电极反应[4]。

(1)酸性条件下的反应

阳极：

Fe一2e →Fe2+

E0 (Fe2+／Fe)=—0．44 V

阴极(C)：

2H++2e→2[H]→H2↑

E0 (H+／H2)=0．00 V

(2)酸性充氧条件下的阴极反应

02+4H+一4e→2H2O

E0( O2 )=1．23 V

(3)中性条件下的阴极反应

02+2H2O +4e→40H—

E0 (O2／OH一)=0．40 V

由上述反应的标准电极电位E0可知，酸性充氧条件下电极反应的E0最大，故酸性条件下的电极反应进行得最快，这从理论上证明了酸性含铬废水用电化学方法处理效果较好。反之，如果废水的pH>7，则阳极可能析氧反应：

4OH一一4e →O2 + 2H2O

Fe2+ 一e →Fe3+

很明显，上述反应会改变溶液的pH值，对铬的还原反应造成干扰，同时影响电流效率，

使能耗升高。

3、电化学处理方法

3.1电化学氧化

电化学氧化分直接电氧化和间接电氧化，直接电化学氧化是通过阳极氧化使有机污染物和部分无机污染物转化为无害物质。在生物难降解污染物的处理如苯酚、含氟有机染料、氰化物等污染物的处理中，直接阳极氧化能发挥有效的降解作用。间接阳极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发生氧化，最终达到氧化降解污染物的目的。如在阳极生成寿命短、氧化性极强的活性物质，已有研究表明这类短寿命中间物质包括-1e （溶剂化电子）、HO ·、HO2·、O2·等自由基，他们可以分解污染物质。通过溶液中可再生氧化还原电对进行有机污染物的氧化还原去除，如电解氯化钠溶液产生ClO-。

利用在阴极还原为H2O2，而后生成HO ·、进而氧化有机物的方法的出现，可用于处理苯酚、苯的衍生物（苯胺类）、HCHO 及CN-。为加速HO ·的生成，可采用铁阳极产生Fe2+，发生Fenton 反应：Fe2++H2O2→ OH-+HO ·+Fe3+。反应产生的HO ·对有机物具有很强的氧化作用，Fe3+水解生成絮状氢氧化铁产生絮凝作用。

3.2电化学还原

电化学还原即通过发生阴极还原去除环境污染物，可分为阴极直接还原和阴极间接还原。阴极还原可以处理多种污染物，如金属离子、含氧有机物、二氧化硫气体等。有机物直接电化学还原可以使多种含氯有机物转变成低毒性物质，同时还可提高产物的生物可降解性，例如：

R —CI+H ++2-1e →R —H+CI —

间接阴极还原主要是指利用电化学过程生成的一些氧化还原媒质，如Ti3+、V2+和Cr2+，将污染物还原去除，如二氧化硫的间接电化学还原，可以转化为单质硫：

SO2 + 4Cr2++4H+→ S+4Cr3++2H2O

Cr3++-1

e → Cr2+

同时阴极还原往往也是回收有价值物质的一种方法，如电沉积回收金属就是一种直接阴极还原过程。电沉积是利用电解液中不同金属组分的电位差，使自由态或结合态的金属在阴极析出的过程。金属离子回收的电化学反应，最简单的金属回收方式就是金属阳离子的直接还原Mn++ne-1“M 在某些情况下，金属不是以自由的离子状态存在，而是以有机或无机配合物的配合状态存在。以铜的配合物为例，此时的沉积反应为：

213u u 3C Cl e C Cl ---+→+ 3.3光电化学氧化

半导体材料通过吸收可见或紫外光中的能量，并通过产生“电子—空穴”对，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。例如：

+vb vb hv h h +→+—半导体粒子

+2vb H 2h 2H CNO O -+++→+—CN

显然维持较高的“电子—空穴”浓度是光催化反应的前提。为避免电子—空穴的复合，在光催化体系中外加电流，使得光生电子能迅速流动，产生电子流，避免电子—空穴的重新结合，这样就能在半导体材料中维持较高的“电子—空穴”浓度。这样的氧化方法叫光电化学氧化，也称电助光催化。最常用的光催化半导体材料是TiO2。半导体光催化氧化或光电催化氧化对多种有机物如4-氧酚、三氧乙酸、对苯二酚、乙醇及多种无机物如CN-、S2-、I-等离子都能发生作用，很多情况下可以把有机物彻底无机化。

4、电化学技术在污水处理中的展望

应用电化学技术可提高有机物的可生化性或完全使其矿化，其应用前景十分广阔。该技术未来发展的一个方向是：

（1）新型电催化电极和反应器的开发，主要体现于电催化性能好、抗蚀能力强的电极开发，环境友好的电解质的应用和催化剂的使用。如采用固体电解质代替常用的含盐电解质使降解的最终产物基本上是纯水，不必进行脱盐和中和调节就可排放[5—6]。

（2）电化学技术与其他环境治理技术的优化组合，使其发挥各自的优势和协同作用。如电化学技术与光催化的结合，电化学技术与生物技术的结合等。

（3）新型电化学反应器的设计和研究，新工艺、新材料的开发和应用。如不同类型的强制对流反应器，多孔电极、填充床电极、流化床电极等。电极材料如网状电极材料、金属化导电聚合物材料等。总之，电化学技术在废水处理领域的应用具有广泛潜力，无论是从理论上还是在方法上还处于前沿性研究，相信通过广大科学工作者的共同努力，其应用必将更加广阔。

参考文献

[1]冯玉杰，李晓岩，尤宏，等．电化学技术在环境工程中的应用．北京：化学工业出版社，2002．110—117

[2]朱又春，方战强，夏志新．废水微电解处理反应材料研究．膜科学与技术，2001，21(4)：56～60

[3]马业英，郑沽修，王成瑞．铁粉、铸铁粉及磁性铸铁净化含铬电镀废水的比较研究．武汉工业大学学报，1990，12(2)：56～60

[4]冯玉杰，李晓岩，尤宏，等．电化学技术在环境工程中的应用．北京：化学工业出版社，2002．21～22

[5]Kennedy M.Textiies Internationai，1992，2（13）：231

[6]Ogvtven U B.，et ai.Environ Sci Heaith，1992，a27（5）：28