【优秀】毕业设计毕业论文浅析电化学技术在废水处理中的研究现状 10页

浅析电化学技术在废水处理中的研究现状摘要电化学技术的应用范围越来越宽广，由于其具有污染少、易于控制、设备简单和无需添加氧化剂等化学药品等优点，电化学技术在环境污染物检测、环境污染物处理、清洁生产和清洁能源等方面发挥着越来越大的作用。木文对电化学技术在废水处理屮的应用进行了简要的分析，对各种方法进行了阐述，包括了简单的机理探讨和实际应用。关键词：电化学；废水；处理；应用nAbstractTheapplicationofelectrochemicaltechnologyaremoreandmorebroad,sinceithaslesspollution,easytocontrol,simpleequipmentandneednotaddantioxidantchemicalsetc.Andtheelectrochemicaltechnologyinenvironmentaldetection,environmentpollutiontreatment,cleanproductionandcleanenergyareplayingamoreandmoreimportantrole.Inthispaper,theelectrochemicaltechnologyapplicationsinwastewatertreatmentisbrieflyanalyzedandvariousmethodswereintroduced,includingthemechanismofasimplediscussionandpracticalapplication.Keywords:electrochemistry;wastewater;treatment;applicationn第1章前言水是生命之泉，是我们人类生活的保障。目前，世界上有12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施，每年有300万~400万人死于利水有关的疾病。水资源危机带來的生态系统恶化和生物多样性破坏，也将严重威胁人类生存川。随着我国人口的增长和工业化、城市化加快，工业废水、废气、废渣造成了我国环境的严重污染，对人类的生存构成了巨大威胁。随着对废水处理的深入研究，1=1前处理废水有以下儿种方法：物理法、化学法、物理化学法和生物法等。由于以上方法都有其不足Z处，再加上现在大力倡导清洁生产，使电化学技术成为了研究热点。电化学⑵是研究化学能与电能z间相互转化的古老学科，从学科性质上讲，属于物理化学的一个重要分支，在与无机化学、有机化学、分析化学、化学工程等学科和互渗透、协调发展的过程中逐渐形成了口己完备的理论与应用休系。电化学技术在解决环境问题方面具有很大的优势，且应用领域广泛，涵盖了电合成、二次能源、传感器和环境监测、污染物的电化学处理和腐蚀防护等。电化学在工业上有着觅要作用，包括电解、金属加工与处理、电池和燃料电池、水和废水处理等方面的应用⑶。在某些应用方面，对比现有常用的净化处理方法，电化学方法具有独特的优势［叫(1)具有多种功能，电化学法除可用电化学氧化还原使毒物降解、转化以外，还可用于悬浮或胶体体系的相分离。电化学方法的这种多功能性使电化学法具有广泛的选择性，在污水、废气、有毒废物处理等多方面均可发挥作用。(2)化学过程中的主要运行参数是电流和电位，容易测定和控制，因此整个过程的可控程度乃至自动控制水平都较高，易于实现自动控制。(3)电子是电化学反应的主要产物，且电子转移只在电极及废物组分之间进行，不需另外添加氧化还原试剂，避免了由另外添加药剂而引起的二次污染问题。通过控制电位，可使电极反应具有高度选择性，防I上有可能发生的副反应。(4)电化学系统设备相对简单，设计合理的系统能量效率也较高，因而操作与维护费用较低。(5)兼具气浮、絮凝、杀菌多种功能，必要时阴极、阳极可同时发挥作用。既可以作为单独处理，乂可以与其他处理方法相结合。如作为预处理，将难降解有机物或生物毒性污染物转化为可生物降解物质，以提高废水的可生物降解性。n第2章电化学技术处理废水的研究现状电化学处理技术一般包括以下几种方法：电解凝聚法、电化学氧化法、内屯解法、电解气浮法和电沉积法等。这些方法以电化学的基本原理为基础，利用屯极反应及其相关过程，通过直接和间接的氧化还原、凝聚絮凝、吸附降解和协同转化等综合作用，对水中有机物、重金属、硝酸盐、胶体颗粒物、细菌、色度、臭味等污染物具有较好的去除效果。电化学法处理污水，具有无需添加氧化剂，絮凝剂等化学药品，设备体积小，占地面积小，操作简单灵活，排污量小，不仅可以处理无机污染物，也可以处理有机污染物，特别是一些无法用生物降解的有毒有机物可用电化学方法处理，用电还原法处理一些重金属污水时还可回收废水屮的金属等优点⑷。2.1电解凝聚法该法⑷采用可溶性阳极如Fe、Al等金属板，在外加直流电压的作用下，金属阳极氧化溶解,生成金展离子Fe2Fe3Al3+,这些离子在水屮OHT作用生成Fe(OH)2>Fe(OH)3与ai(oh)3氢氧化物沉淀，当水中含有:®金属离了时，生成的金属氢氧化物能与ai(oh)3和Fe(OH)3形成凝聚共沉体，或是A1(OH)3、FeOH)2.FeOH)3等微絮体与污水中的污染物进行絮凝作用而沉淀來实现分离净化的口的。该方法具有处理效果好、占地面积小、设备简单、操作方便等优点，也存在阳极金属消耗量大、需要人量盐类作辅助药剂、能耗高、运行费用较高等缺点。王刚等⑸采用电凝聚方法，作为垃圾渗滤液前处理工艺，对COD和氨氮都有一定的去除效果。2.2电化学氧化法电化学氧化法可分为直接氧化法和间接氧化法。其本质是指电解质溶液在电流的作用下，在阳极和电解质溶液界面上发生反应物粒子失去电子的氧化反应，在阴极和屯解质溶液界面上发生反应物粒子与电子结合的还原反应的电化学过程⑹。直接氧化是在阳极表而发生氧化反应直接把污染物变成无害物质，该法乂可分为两类⑺：一是电化学转换，即被氧化物质未发生完全氧化。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；二是屯化学燃烧，即被氧化物质彻底氧化为稳运的无机物，相对丁•废水处理而言，电化学燃烧可以将废水中的有机物彻底氧化为C02o间接氧化是在阳极反应过程屮生成具有较强氧化性质的屮间产物或发生阳极反应Z外的屮间反应，氧化被处理污染物，最终使其降解。为了得到髙的电流效率，间接氧化法必须满足以卜-要求〔叫M的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应的电位；M的产生速度足够人；M与污染物的反应速度比其他竞争反应速度人得多，在某些悄况卜是催化剂，可以循环使用。杨少斌等⑼采用电化学氧化法处理印染废水，其结果表明经处n理后的废水能达到国家污水综合排放标准级要求。2.3电化学还原法电化学还原即通过阴极述原发生去除环境污染物。也可分为阴极直接还原和阴极间接还原。间接阴极还原主要是指利用电化学过程中生成的一些氧化还原媒质，如T严、V"和C『+,将污染物还原去除。有毒氯代有机物不仅可以通过阳极氧化法被・0H分解,还可以通过阴极还原脱氯,Schmal等I⑼对电化学方法处理卤代有机化合物废水的可行性进行了评价。2.4内电解法此法又被称为微电解，利用铁屑屮的铁和碳组分(或另外加入焦炭等)构成原屯池,它是指在电解槽反应器中充填粒子，外加直流电场使其中的导电粒子复极化而形成无数微小的电解槽，污染物被吸附到粒子表面发生电化学反应而被去除［⑴。内电解法包括以下儿个方面的作用(1)原电池反应：铸铁是铁和碳的合金。因此当铸铁浸入废水屮时就会构成许多细小的微电池，纯铁为阳极，碳及杂质则成为阴极，发生电极发应。(2)氢的还原作用：从电极反应中得到的新生态氢具有较大的活性，能与废水中的许多组分发生氧化还原作用，能破坏发色物质的发色结构，使偶氮基断裂、大分子分解为小分子、硝基化合物还原为胺基化合物，达到脱色的目的，同时使废水的纽成向易于生化的方向转变。(3)电化学附集作用，当铁与碳或其他杂质Z间形成一个个小的原电池时，将在其周围产生许多微电场，废水屮稳定的胶体粒子、极性分子和细小分散的污染物受微电场的作用后便会发生电泳，向相反电荷的电极移动，并且聚积在电极上，形成人颗粒而被附集，使废水COD值降低。(4)铁的混凝作用，用铁屑处理废水时，会产生Fe2+WFe3+oFe?+和Fe*是很好的絮凝剂，把溶液pH调至碱性且有02存在时，会形成Fe(0H)2和Fe(0H)3絮凝沉淀。Fe(0H)3是胶体絮凝剂，它的吸附能力高于一般药剂水解得到Fe(OH)3的吸附能力。另外生成的Fe(OH)3可能水解生成Fe(OH)2+等络离子，这些离子具有很强的絮凝功能，这样，废水中原有的悬浮物、通过微电池反应产生的不溶物和构成色度的不溶性染料均可被其吸附凝聚。(5)物理吸附，活性碳有很强的吸附能力，尤其是废水中的固体微粒，很容易被它吸附除去。在弱酸性溶液中，铁屑丰富的比表面积显出较高的表面活性，能吸附多种金属离子，能促进金加的去除。而且铸铁是一种多孔性物质，其表而具有较强的活性，能吸附废水的有机污染物，净化废水。特别是加入烟道灰等物质时中，其很大的比表面积和微晶表面上的大量不饱和键和含氧活性基团，在相当宽的pH范围内对染料分子都有吸附作用。n安晓雯应用内电解原理预处理制药废水，取得了较好的处理效果，提高了废水的可生化性。2.5电渗析法电渗析法［⑷是属于膜分离的范畴，是把阴、阳离子交换膜交替分布在阳、阴极之间并用隔板隔开，利用离子交换膜的选择透过性，使电解质分离出來。目前的电渗析技术有倒极电渗析、液膜电渗析、填充床电渗析、双极膜电渗析、无极水电渗析等，最有应用前景的是填充床电渗析和双极膜电渗析。填充床电渗析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，它集屮了电渗析和离子交换法的优点，提高了极限电流密度和电流效率。最大特点是利用水解离产生的H+和OH自动再生填充在电渗析器淡水室中的混床离了交换树脂上，从而实现了持续深度脱盐。双极膜是一种新型离了交换复合膜，一般由层压在一起的阳离子交换膜组成，通过膜的水分子即刻分解成H+和0M,因此可作为H+和OH的供应源。双极膜电渗析法的优点是过程简单、能效高、废物排放少。1=1前，双极膜电渗析工艺主要应用在酸碱制备领域。康莹莹I⑸等利用电渗析法预处理丙烯酸丁酯废水，COD去除率和脱盐率都在99%以上，且表明了电渗析是一种浓缩回收丙烯酸丁酯废水中有机酸盐的经济有效的预处理方法。2.6电解气浮法该法是在直流电场的作用下，通过对废水进行电解，在阳极和阴极上分别产生氧气和氢气等气体，这些气体以微气泡形式存在，能够粘附在胶体或已形成的絮体上，形成浮渣，从而去除水屮污染物质。电解气浮法具有以下优点：(1)电气浮过程屮的气泡分布范围较窄，尺寸也较小，平均为20pm左右，可以获得很高的分离效果。(2)通过改变电流密度即可调节气泡数量，从而可提高气泡和污染物颗粒间的碰撞概率。(3)对于特定的分离过程，选择合适的电极材料和溶液条件即可获得最佳的分离效果。当气泡和颗粒物的g电位符号相反时，气浮分离效率最高。张红U6］等利用电解气浮—吸附过滤联合丁艺处理印染废水取得了较好的处理效果,使废水得以净化，此工艺简单，占地面积少，对流量变化的适应性强，不产生噪音。2.7电沉积法利用电解液中不同金属组分的电势差，使口出态或结合态的溶解性金属在阴极析出。适宜的电位是电沉积反应能否发生的关键，无论金属处于哪种状态，均可根据溶液中实际离了活度的大小，由能斯特方程确定点位的高低。影响电沉积过程的因素〔叫(1)金属离子的存在形态，常见废水屮金属离子的存在状态有自由金属离子状态和n结合状态两种，若金属离子以结合态存在，则沉积会比自由离子更难。(1)竞争反应，如析氢还原反应、阴极氧还原反应、被沉降金属离子的其他反应以及多种金属离子共存时，金屈离子Z间的相互影响都会降低金屈沉降反应的电流效率和沉降速度。(2)阳极反应，如析氧反应、含氯电解液中氯气的析出等。李天成等采用电沉积一生物膜复合工艺处理含废水，净化后废水能够达到工业回用水标准。n第3章结束语3.1电化学技术的其他应用在环境工程领域中，电化学技术不仅在废水处理中得到了广泛的应用，还应用于其他方面。3.1.1电化学技术在修复污染土壤的应用电化学用于污染土壤的原位修复是利用电流清除土壤或泥浆屮的放射性物质、重金屈、某些有机化合物或无机与有机混合污染物的方法。实际是通过电迁移、电渗和电泳三种机制清楚土壤中的污染物⑵。3.1.2电化学技术在环境监测中的应用电化学技术可作为传感器、监控器，用于H+、02、CO?、SO2、NO?、NH.3、乙醇、麻醉剂、神经性气体、金属离子等的分析和控制I⑻。3.1.3电化学技术在清洁生产方面的应用（1）化学电源化学电源是按电化学方式直接将化学能转化为电能的一种装置。人类转化能量的传统方式是热机过程，然而热机过程受卡诺循环的限制，不但能量转化效率低，造成能源浪费，而吐产生大屋的粉尘、二氧化碳、氮的氧化物和硫以及硫的氧化物等有害物质,造成大气、水质、土壤等污染，是环境保护所要解决的重要问题。化学电源按活性物质的保存方式可分为三种主要类型：一次电池、二次电池（蓄电池）和燃料电池。由于一次电池不易回收，不利于环保和节约地球有限资源，近年来，人们将研究的重点转向二次电池和燃料电池的研究。燃料电池⑼具有髙效、环境友好、安全、可靠性高的优点。（2）有机电合成有机电合成法就是借助电极传递电子，使有机物氧化或还原，而不采用化学品直接氧化或还原有机物。它是电化学、有机化学和化学反应工程的交叉学科。有机电合成具有反应条件温和（可在常温常压下进行）、工艺流程简单、易于实现门动控制、产物选择性髙、副产物少、污染少甚至无污染等优点，是绿色合成的必要途径被称为绿色工业【2叭（3）水的电化学消毒电化学方法制备消毒剂技术节能、廉价、无残留、安全。目前，广泛用C12对水进行消毒，但近来发现加氯水中有很多致癌物质，显然采用H2O2消毒较好，而H2O2—般条件下可采用电解硫酸钱的方式或氧阴极直接还原法生产。有报道采用吸附微生物和直接在阳极氧化细胞内辅酶A的消毒方法0】。3.2展望n随着我国经济的迅猛发展和工业化进程的加快，环境保护已成为-•个不容忽视的问题，在发展经济的同时，必须与环境友好相处。相比其他水处理技术，电化学技术拥有独特的优势，随着电化学技术的不断完善和发展，在净化环境的T作屮突显了重耍作用，逐渐成为解决环境问题的有利工具。由于电化学技术存在着电极选择和保护、耗能高、处理水量小和受电极材催化活性的极大限制等缺点，还不能广泛地应用于实际生活屮。我们应该联系理论知识和实践，找到更好的方法来克服电化学技术解决环境问题的困难，充分利用电化学技术的优点，使电化学技术在环境工程领域屮能都得到更好的应用，为我国的环保事业贡献一份力量。n参考文献⑴王正旭•水资源危机与国际关系[J]•水利发展研究,2004,4(5):52-55.L2J冯玉杰等.电化学技术在坏境工程中的应用[M].北京:化学工业出版社,2002.[3]王淑敏，王作辉.电化学的应用和发展[J]广州化工,2010,38(8):64-69.[4]赵成军等.电化学方法在治理废水中的应用[J].化学工程与装备,2010(2):183-184.[5]王刚等.电凝聚法在垃圾渗滤液处理中的应用[J].环境科学与技术,2(X)6,29(8):80-82.⑹卢炯元土三反.电化学法处理废水的研究进展[J].工业科技,2004,33⑷:72.[71KIRKDW,SHARIFIANH,FOULKESFR.AnodicOxida-tionofAnilineforWasteWaterTreatmentfJ].JApplElec-trochem,1985,15:285-292.[8]COMIMELLISC・ElectrocatalysisintheElectrochemicalConversionandCombustionofOrganicPollutantsforWastewa-terTreatment[J].ElectrochemActa,1994,39:1857-1862.[9]杨少斌等.电化学氧化技术在印染废水处理中的应用[J].广东化工,2008,35(2):66.[10]SchmalD.InEnvironmentalTechnology[C].Amsterdam,TheNetherlands:June22-26,1987.[11]张成光等.电化学法处理废水的研究进展[J].河南化工,2006,23(6):1-4.[12]张汉铭.内电解工艺在废水处理中的研究进展[J]广东化工,2010,37(9):11*122.L13J安晓雯.强化内电解预处理制药废水[J].环境工程学报,2011,5(3):609-612.[141王琴，孙根行.电化学法处理废水研究进展[J].电镀与环保,2011,31(2):7-10.[15]唐莹莹等.电渗析在内•烯酸丁酯废水预处理中的应用[J].环境工程学报,2011,5(3):494.[16]张红,王金菊.电解气浮■吸附过滤处理印染废水[J].科技创新导报,2011,18:123.[17]李天成等.电沉积■牛物膜复合工艺处理含C宀废水[J].农业坏境保护,2002,21(6):549-552.118]王胜天，许宏鼎,李景虹.环境电分析化学[J].分析化学评述与进展,2002,30(8):1005-1011.L19]衣宝廉.燃料电池[M]•北京:化学工业出版社,2000,65-97.[20]YANGYUN,HUANGHSUANJUNG.SensorforAmperonietricDeter-minationofAnimoniaandAmmonia-formingEnzymeReactions[J].Analytica.ChemicaActa,2001,73:1377-1381.[21]OKUYAMA,RYOICHI,NAKASHIMA.ThcAdventofBattcry-bascdSocietiesandtheGlobalEnvironmentinthe21stCentury[J].JournalofPowersources,2001,93(1-2):50-54.