電化學工藝在處理工業(yè)廢水中的應用
工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展以大量資源和能源的消耗為代價，同時也造成了環(huán)境污染的嚴重惡果。加速企業(yè)技術進步，采用先進工藝，實施清潔生產(chǎn)，不但可以提高資源利用率，還能夠減輕環(huán)境污染。把污染消除在工藝過程之中，實施全過程控制是企業(yè)持續(xù)發(fā)展的正確道路。目前世界各國對工業(yè)廢水的處理研究甚多，其中電化學法設備占地面積小，操作靈活，排污量小，不僅可以處理無機污染物，也可以處理有機污染物，甚至連一些無法生物降解的有毒有機物與某些含重金屬污水都可用此方法進行處理; 再加上風力、核電等新興發(fā)電技術的大力發(fā)展和推廣應用帶來的電能成本降低，使得電化學方法在治理廢水方面具有更大的優(yōu)勢。
2 電化學法處理廢水的應用分類
電化學處理法包括電化學氧化還原、電凝聚、電氣浮、光電化學氧化、內(nèi)電解等方法。電化學法在廢水處理中的應用主要包括重金屬的去除與回收、生物難降解的有機廢水處理、飲用水殺菌消毒以及與其他方法的聯(lián)合使用。
3 電化學法處理廢水的基本原理
3．1 電化學氧化還原法
電化學氧化還原法是指電解質(zhì)溶液在電流的作用下，在陽極和電解質(zhì)溶液界面上發(fā)生反應物粒子失去電子的氧化反應、在陰極和電解質(zhì)溶液界面上發(fā)生反應物粒子與電子結合的還原反應的電化學過程。電化學的氧化原理分為兩類: 一種是直接氧化，即讓污染物直接在陽極失去電子而發(fā)生氧化，在含氰化物、含酚、含醇、含氮的有機廢水處理中，直接電化學氧化發(fā)揮了十分有效的作用; 另一種則是間接氧化，即通過陽極反應生成具有強氧化作用的中間產(chǎn)物或發(fā)生陽極反應之外的中間反應來氧化污染物，最終達到氧化降解污染物的目的。這種方法占地面積少、易操作; 但是效率低，影響的因素多(pH、電解質(zhì)、電極材料等)。
3．2 電凝聚法
在電解過程當中，采用鋁質(zhì)或鐵質(zhì)的可溶性陽極通以直流電后，陽極材料會在電解過程當中發(fā)生溶解，形成的金屬陽離子Fe3 + 和Al3 + 等與溶液中的OH-形成Fe(OH)3和Al(OH)3等具有絮凝作用的膠體物質(zhì)，可促使水中的膠態(tài)雜質(zhì)絮凝沉淀，從而實現(xiàn)污染物的去除。
3．3 電氣浮法
通過發(fā)生電極反應對廢水進行電解，在陰極和陽極上分別析出氫氣和氧氣，產(chǎn)生直徑很小(約20～ 100μm) 分散度很高的氣泡，這些微氣泡粘附在膠體或已形成的絮體上，隨著氣泡的上升，這些膠體或絮體會隨之上升至水面形成泡沫層。再用機械方法去除，從而達到分離污染物的目的?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)電流、電極材料、pH 值和溫度改變產(chǎn)氣量及氣泡大小，滿足不同需要。電氣浮法在處理造紙廢水方面有廣闊的應用前景。它可使造紙廢水的脫色率達94%，去除達98%，去除達75%。此外，電氣浮還可使水中浮油的去除率達95%，使乳化油去除率達92%，對不同濃度的平均去除率也達到91．2%。
3．4 光電化學氧化法
半導體材料吸收可見光或紫外光中的能量后可作為催化劑使用，使廢水發(fā)生光催化反應從而達到去除有害物質(zhì)的目的。常用的半導體材料有TiO2和SiO2等。實驗研究表明，光催化氧化法對四氯化碳、4-氯酚、苯二酚、p-氨基酸、苯等有機物及CN-、S2-、I-、Br-、Fe2+、Cl-都有良好的去除效果。
3．5 內(nèi)電解法
內(nèi)電解法是利用廢水中某些組分易被氧化還原的特點，當這些不同屬性組分相遇且有導電介質(zhì)時進行電化學反應的一種廢水處理方法。內(nèi)電解法處理染料廢水是絮凝、吸附、架橋、卷掃、電沉積、電化學還原等多種共同作用、綜合效應的結果。工業(yè)上常用鐵屑內(nèi)電解法，其原理是利用鐵屑中的鐵和炭(或加入的惰性電極) 構成微小原電池的正極和負極，以充入的廢水為電解質(zhì)溶液，發(fā)生氧化還原反應，形成原電池。新生態(tài)的電極產(chǎn)物活性極高，能與 廢水中的有機污染物發(fā)生氧化還原反應，使其結構形態(tài)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)廢水的處理。
內(nèi)電解法的優(yōu)點是以廢治廢，能量消耗少，能去除多種污染成分; 缺點是反應速度較慢，對高濃度廢水處理比較困難。
4 影響電化學法處理廢水效果的因素
4．1 電極材料
電化學反應是隨著電荷的移動在電極表面發(fā)生的非均相催化反應。因此，電荷的移動速率決定反應速率，而電荷的移動速率是由電極的電位決定的。
電極基體材料決定電極電位。在不同的電極材料上發(fā)生反應的可能性和速率各不相同。盡管電極類型各異，但對它們有著共同的要求，即好的導電性和耐蝕性。用Sb2O3覆蓋的Ti /SnO2電極是一種性能優(yōu)良并適于處理有機工業(yè)污水的電極。
4．2 停留時間
停留時間也是電化學工藝在處理廢水的一個主要影響因素，停留時間越長，氧化還原作用進行得越徹底。但停留時間增加會使能量消耗增加，所以停留時間并非越長越好。而且對于不同的廢水，因其成分不同，停留時間需做具體調(diào)整。例如，廢水的初始pH 值低，停留時間可以相對短一點; 相反，停留時間應相對長一點。 4．3 電解質(zhì)溶液
電化學工藝處理廢水時對電解質(zhì)溶液的濃度有一定的要求，因為電解質(zhì)溶液的濃度對有機物的催化降解速率具有較大的影響，主要表現(xiàn)在兩方面:(1) 電解時，一般情況下，隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加，降解速率增高; 但電解質(zhì)溶液投入量增大，費用增加。(2) 電解過程中不同的電解質(zhì)會發(fā)生不同的電化學反應。例如，存在Cl-時，電解過程中會產(chǎn)生Cl2、ClO-，存在SO42-和CO32-時，會在陽極被氧化為過硫酸鹽和過碳酸鹽，從而增大對有機物的氧化降解能力。所以應根據(jù)具體的反應來確定最佳條件以提高反應速率，降低費用。 5 結語
隨著化學工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)廢水中人工合成有機物的種類越來越多，而這些有機物往往是難以降解的，此時電化學工藝則是一個處理工業(yè)廢水的較佳選擇。即便如此，在電化學處理廢水領域還有許多問題亟待我們?nèi)ヌ骄?
(1) 由于對電化學反應機理研究的不充分，極大地限制了電化學工藝在工業(yè)廢水處理方面的應用。所以，進一步深入研究電化學反應機理是非常必要和重要的。
(2) 由于電極材料的性能還不能滿足工藝要求，電化學工藝處理廢水的效率仍然偏低。因此研究生產(chǎn)高效的復合型電極成為電化學工藝推廣應用的關鍵。
(3) 為了快速安全地處理好日益增多的工業(yè)廢水，設計、制造大型高效的化學反應器也是當前面臨的一項緊迫任務。
(4) 大力推廣電化學法，并研究開發(fā)電化學法與生物法等其他方法聯(lián)合的技術將是未來工業(yè)廢水處理領域發(fā)展的方向。