评析电絮凝技术在水处理中的应用

评析电絮凝技术在水处理中的应用

摘要：随着我国社会主义现代化建设事业的飞速发展，在经济建设等各项事业取得巨大成就的同时，对环境的负面影响也不容小觑。如何建设环境友好型社会是重点难点，尤其是污水的处理和合理排放问题。电絮凝技术具有占地面积小、去除污染物种类广、去除效率高、工艺操作简便等优势,作为一种环境友好型技术，被广泛应用到各种难降解污染废水的处理中。

关键词：电絮凝法；絮凝机理；废水处理

前言

电絮凝技术的历史久远，1889 年伦敦首先建成电絮凝法处理海水与电解废液的车间。1906 年，电絮凝技术首先被德国人 A. E. Dietrich 在美国申请专利，并用于船舱污水的处理。由于早期电絮凝技术水平低、能耗高、处理废水种类少，因此在以后很长的时间内未得到广泛应用。近年来，随着工业废水类型的日益复杂和对小型高效废水处理集成设备的需求增加，电絮凝技术逐渐成为研究热点，其中对电絮凝剂原位生成及其絮凝机理的深入解析，各种因素对絮凝效率及电极极化和钝化的影响机制，电絮凝法对更多类型废水处理的尝试，以及电絮凝技术耦合电气浮等物化工艺提高整体处理效率等是该领域主要的研究方向。

1电絮凝技术处理废水的原理和特点

下面介绍一下电絮凝技术处理废水的原理和特点，电絮凝法是将络合吸附与氧化还原、酸碱中和、气浮分离结合起来的废水处理工艺。电絮凝工艺主要由电源、极板、后续分离装置组成。其中电源又分为直流电源和交流电源；极板材料主要为铁板和铝板，也有研究在阴极附加TiO2等；极板连接方式包括单级连接和双极连接；反应器形状包括垂直反应器、水平反应器、带孔管状反应器等。电絮凝结合了电化学、化学混凝、气浮3种技术，实现了较短的电解时间内高效去除污染物。简单的电絮凝反应器包括一片阳极板和一片阴极板，由外接直流电源供给电势，阳极发生氧化反应，同时阴极被还原或沉积一些基本金属。

电絮凝法是一个复杂的物化技术，其核心内容是絮凝剂的生成。电絮凝法去除污染物主要包括絮体产生、污染物聚集、污染物与水体的分离及去除 3 个步骤（包括气浮和沉淀）。电絮凝反应过程中，通过牺牲阳极在溶液中产生铝离子或铁离子。铝/铁离子在适宜pH下水解，进而产生一系列铝或铁的羟基络合物；羟基络合物在溶液中作为絮凝剂，通过压缩双电层、吸附架桥、集卷网捕等作用将污染物聚集并吸附在其表面。同时，阴极产生的氢气形成微小气泡吸附在絮体表面，使絮体上升至液体表面，最终实现污染物与水的分离，达到去除污染物的目的。

2电絮凝法处理废水的影响因素

应用电絮凝法有效处理废水，还要解决电极钝化和电解极化等问题，保证电

流效率和絮凝效果，控制槽压和能耗。电极钝化主要由阳极溶出产生的金属离子氧化成膜并附着于阳极引起；电解极化则包括浓差极化、电化学极化和金属阳极表面极化。电絮凝过程的影响因素也很多其中最主要的包括pH、电流密度和电解时间，此外还有电导率、共存离子、反应器构造等也是影响电絮凝过程的重要因素。ph主要通过影响水中羟基铝铁化合物的形态进而决定污染物的去除方式，另外pH 还会影响阳极表面胶体的形成。电流密度不仅决定絮凝剂的产生量，也决定着气泡的产生速率，甚至影响到溶液的混合和电极间的传质作用。电解时间主要通过影响铝/铁离子产生的速率来影响电絮凝处理的效率，此外电解时间还决定了污染物与羟铝/铁化合物的接触时间，进而影响对污染物的处理效果。溶液的电导率，NO3-、Cl-等共存离子，极板材料，极板形状和连接方式等均会对污染物的去除效果产生一定影响。其中溶液电导率主要影响去除污染物的单位耗电量，电导率越高，去除单位质量污染物的耗电量越小。而溶液中的Cl-会在铝板表面产生点腐蚀现象进而加速铝的溶解，增大水中羟铝络合物质量，进而提高污染物的去除率，并缩短达到最高去除率的电解时间。

3电絮凝法的应用

电絮凝技术可处理电镀、印染、制药、制革、造纸等多种行业废水，目标污染物包括铬、磷、氟、染料等。

3.1含重金属废水的处理

线路板、制革、染料等行业排放的废水含大量重金属离子，如Cr6+、Cu2+、Ni2+等，都可以通过电絮凝技术进行有效去除。以除铬为例，电絮凝法通常采用铁电极，通过利用Fe2+或Fe 的还原作用将Cr6+还原为毒性较低的Cr3+，并与OHˉ 反应生成沉淀或被原位生成的絮凝剂吸附，同时Fe2+被氧化为Fe3+。有关实验电絮凝法间歇处理废水中的Cr3+，使用的是不锈钢电极，其中极板间距22 mm，反应器容积0.8 L，Cr3+初始质量浓度 1 000 mg/L，NaCl 质量浓度

1 000 mg/L，pH=3.4，电流密度487.8 A/m2，反应40 min，Cr3+质量浓度降至

2.0 mg/L。

3.2废水除磷

废水中的磷多以PO23ˉ、PO33ˉ、P2O74ˉ 和PO3ˉ 的形式存在，当废水加热至90 ℃以上，4 种磷酸根离子会通过一系列反应变成PO43ˉ，此时可与电絮凝阳极溶出的Al3+、Fe3+反应生成难溶的AlPO4和FePO4而被除去。其中PO33ˉ 最难去除，在工况中投加生石灰可提高PO33ˉ 的去除率，但泥量大。有关实验等采用电絮凝法去除二级处理出水中的磷，原水磷（以PO43ˉ计）质量浓度3 mg/L，电解槽容积 4 L，铁极板尺寸10 cm×15 cm×1 mm，极板间距 1.5 cm，电流0.31 A，曝气，电解8 min 后磷去除率可达约80%，出水磷质量浓度降至0.68 mg/L。另外，废水酸度对磷去除率有明显影响，碱性条件下有助于磷的去除，而在酸性条件下能显著降低磷的去除率，这是因为当废水呈酸性时，大量的金属氢氧化物絮凝剂和难溶的AlPO4和FePO4会被溶解，降低除污效率。

3.3废水除氟

目前，有关电絮凝法去除水体中Fˉ 的报道存在两种机理：F-与絮凝剂中OH-的置换反应和F-与金属阳离子反应生成沉淀。研究表明，Fˉ 置换Aln（OH）m（3n-m）中的OH-从而被去除。而相关研究表明，-与Al3 +反应生AlF63ˉ，再与Na+反应生成沉淀，从而将氟从水中除去。在电絮凝效果方面，采用铝板双极模式处理初始质量浓度为 5 mg/L 的含F-废水，电解 5 min F-质量浓度可迅速降至0.35mg/L。采用电絮凝法处理北京某地区地热水中的氟，并增加滤柱，F-质量浓度为7.5 mg/L，选用铝板电极，板间距0.5 cm，pH=7.1，电导率0.48 mS/cm，水温30~40 ℃，电流密度10 A/m2，电絮凝30 min，能耗为 2.13 kW·h/t 时，出水F-质量浓度可达到饮用水对F-质量浓度的要求（0.5~1.0mg/L）。

3.4染料废水的处理

电絮凝法处理染料废水时，有机染料分子可直接被原位絮凝剂吸附或被阳极直接氧化，也可能被阳极产生的氧化剂如O2、H2O2（可与Fe2+组成Fenton 试剂）等间接氧化，降解为小分子化合物，再被絮凝剂吸附去除。由于染料分子大部分带负电，而絮凝剂带正电，因而吸附是以静电吸附为主。另外，废水pH 对反应过程的影响很大，在pH 小于6.5 时，电絮凝法处理染料废水以化学沉淀反应为主；pH 超过6.5 时，电絮凝法处理染料废水以吸附反应为主。采用铝板单极模式处理酸性红-14 染料，电流密度80 A/m2，pH 为6~9，电解 4 min 后，COD 和色度的去除率分别为85%、95%，而该研究还表明单极模式对色度的去除率高于双极模式，其原因尚不明晰，有待深入研究。

结束语

综上所述，电絮凝法的研究及工艺已应用于各种水体的净化和处理。由于其原位产生絮凝剂的特点，因此具有活性高、易操控、泥量低等优点。但电絮凝技术存在电极易钝化和极化、运行成本较高等问题，仍限制其发展，相关过程机理也尚未完全明晰。今后的研究还需对在电絮凝过程中电沉积、絮凝和气浮等过程的相互作用和增效机制进行深入解析。

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