电化学水处理技术
《2024年电化学水处理技术的研究及应用进展》范文
《电化学水处理技术的研究及应用进展》篇一一、引言随着工业化的快速发展，水资源的污染问题日益严重，传统的水处理方法已经难以满足日益增长的处理需求。
电化学水处理技术作为一种新型的水处理技术，以其独特的优势逐渐受到广泛关注。
本文将详细介绍电化学水处理技术的研究现状、应用进展以及未来发展趋势。
二、电化学水处理技术概述电化学水处理技术是一种利用电化学反应来处理水体的技术。
它主要通过在特定的电场作用下，使水体中的离子发生电解、氧化还原等反应，从而达到去除污染物、消毒杀菌等目的。
电化学水处理技术具有能耗低、处理效率高、环境友好等优点。
三、电化学水处理技术研究进展1. 电解氧化技术：电解氧化技术是电化学水处理技术中的一种重要方法。
通过电解过程，使水体中的有机物在阳极发生氧化反应，达到去除有机物、降低污染的目的。
近年来，研究人员对电解氧化技术的反应机理、影响因素等进行了深入研究，提高了电解效率和处理效果。
2. 电解还原技术：电解还原技术是利用阴极的还原作用去除水体中的重金属离子、硝酸盐等污染物。
研究人员通过优化电极材料、调整电流密度等手段，提高了电解还原技术的处理效果和效率。
3. 电吸附技术：电吸附技术是一种利用电场作用将水体中的离子吸附到电极表面的方法。
近年来，研究人员对电吸附技术的吸附机理、影响因素等进行了深入研究，为电吸附技术的应用提供了理论依据。
四、电化学水处理技术应用进展1. 工业废水处理：电化学水处理技术在工业废水处理中具有广泛应用。
例如，利用电解氧化技术去除有机物、降低COD（化学需氧量）；利用电解还原技术去除重金属离子等。
通过电化学水处理技术，可以有效降低工业废水的污染程度，提高废水的可回收利用率。
2. 饮用水处理：电化学水处理技术在饮用水处理中也有重要应用。
例如，利用电吸附技术去除水中的重金属离子、有机物等污染物；利用电解过程产生次氯酸等消毒剂，对水进行消毒杀菌。
通过电化学水处理技术，可以有效保障饮用水的安全性和卫生性。
电化学水处理
2、酚类
• 目前，国内外对于含酚废水的研究较多，此类废水来源广、 污染重，是芳香化合物的代表。电化学氧化含酚废水的影 响因素有苯酚初始浓度、废水pH值、电流密度、支持电解 质种类等。周明华等[4]以经氟树脂改性的β -PbO2为阳极， 处理含酚模拟废水，在电压为7.0 V，pH值为2.0的条件下， 其COD可降至60 mg/L以下，挥发酚可完全去除。匡少平等 在隔离阴、阳极室条件下进行了电化学法降解含酚废水试 验，苯酚的转化率达95%以上；同时，分别对铅电极和钛 上电沉积二氧化铅的电极作为阳极进行了对比试验，发现 Ti/PbO2电极对苯酚的降解更加彻底。
四、重金属离子废水处理
• 与传统的二维电极相比，电沉积法的三维电极能够增加电 解槽的面体比，且因粒子间距小而增大了物质传质速度， 提高电流效率和处理效果。利用三维电极主要是处理含 Cu2+和Hg2+等的重金属废水，三维电极所提供的特殊表面 和很大的传质速率，能有效地处理稀溶液，这种电极能在 几分钟内将金属质量浓度从100 mg/L降至0.1 mg/L，除去 重金属离子的效率高，需要的空间少。离子交换树脂与铜 粒等比例混合制成的复合三维电极固定床电化学反应器， 用于处理低浓度含铜废水，且无须加入支持电解质(如硫 酸)，出口铜质量浓度为0.008 mg/L，达到国家排放标准。
• (3)无污染或少污染性。电化学过程中产生的·无选择地 直接与废水中的有机污染物反应，将其降解为二氧化碳、 水和简单的有机物，没有或很少产生二次污染。电子是电 化学反应的主要反应物，而且电子转移只在电极与废物组 分之间进行，不需添加任何氧化剂、还原剂，避免了由于 添加化学药剂而引起的二次污染，而且还可通过控制电位， 使电极反应具有高度的选择性，防止副反应发生。 • (4)易于控制性。电化学过程一般在常温常压下进行，其 化学过程的主要运行参数是电流和电位，易于控制和测定。 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。 • (5)经济性。电化学系统设备相对简单，设计合理的系统， 其能量效率也比较高，因此，操作与维护费用低。同时， 作为一种清洁的处理工艺，其设备占地面积小，特别适用 于人口拥挤城市的污水处理。
电化学水处理技术介绍及电凝聚.
成员：庞长泷、郭旭、李东晨
一、背景
起源于本世纪初的传统污水生物处理技术， 为缓解人类活动造成的水环境污染做出了巨 大贡献。随着工业化的发展，污水成分变得 日渐复杂多样化，这样的污水由于对生物的 毒性和实际应用空间上的限制，使得传统的 污水生物处理方法在应用上面临着许多技术 上难以解决的难题。另外，含有难降解物质 的污水虽然可用化学氧化法处理，但该氧化 法在药剂用量控制上操作复杂，成本高，还 会造成药剂在处理水中的残留。
渗沥液原水及UASB 反应器出水的 有关水质指标
Raw leachate
pH
7. 7±0. 3
COD(mg·L - 1) 15 700±1 700
BOD5(mg·L - 1) TOC(mg·L - 1)
4 200±230 4 600±150
NH3-N(mg·L - 1) 2 260±230
UASB effluent 8. 5±0. 2 1 500±160 75±20 470±140 2 540±250
8) 既可以作为单独处理,又可以与其他处理相结合, 如作为前处理,可以提高废水的可生物降解性;9) 兼 具气浮、絮凝、消毒作用;
10) 作为一种清洁工艺,其设备占地面积小,特别适合 于人口拥挤城市污水处理.
正因为有如此之多的优点,电化学水处理方法 是处理工业废水、生活污水等实现水的零排 放具有开发前景的水处理技术。该技术研究 横跨物理、化学、生物、工程等多门学科， 是典型的学科综合交叉，迄今的研究还很不 够，作为一种高效水处理技术值得进一步开 发研究。此外，电化学水处理技术被称为“环 境友好”技术,在绿色工艺方面极具潜力,可望 得到广泛应用。
3 、电化学反应器的结构。废水常为稀溶液，电导 率太小时,一般可由加入支持电解质或减小阴、阳极 间距来解决;而为使低浓度有机污染物有效地发生降 解,必须改善电化学反应器的结构。目前提出的一种 新技术即三维电极(或三微电极、立体电极、三元
电化学水处理技术
改进——复合金属氧化物电极
3、 内电解法
内电解法又称为微电解法，是基于电 化学反应的氧化还原、电池反应产物的絮 凝、铁屑对絮体的电附集、新生絮体的吸
附以及床层过滤的综合作用。微电解法以
铁屑和炭构成原电池，污染物在正，负极 上生化学反应，加上原电池自身的电附集 、物理吸附及絮凝等作用达到去除污染物 的目的。微电解法不消耗能源，处理费用 低，使用的铁屑多来自切削工业的废料， 具有以废治废的意义。 铁碳内电解填料
电化学水处理技术
电化学水处理技术的分类
直接电解 按作用机理分类 间接电解 阳极过程 阴极过程 可逆过程 不可逆过程
直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除。直接电解可 分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小 的物质或易生物降解的物质，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污 染物在阴极表面还原而得以去除，主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。 间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染 物转化成毒性更小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程是指氧 化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电化 学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H2O2和O3等氧化有机物 的过程。
目前常采用的电极仍然是石墨、铝板、铁板、不锈钢和一 些不溶性电极如PbO2及一些贵金属电极如Pt等。石墨 电极强度较 差，在电流密度较高时电极损耗较大，电流效率低。而铝板或铁 板为可溶性电极，电极本身材料消耗量大，成本高，因此产生的 污泥量也大。不溶性电极PbO2的氧化能力虽然高于石墨电极，鉴 于目前用于有机废水氧化降解处理中时间长、效率低，而且电极 容易因污染而失活，电极材料种类不多且工作寿命不长。
8种电化学水处理方法
8种电化学水处理方法电化学水处理-世间万物，都是有一利就有一弊。
社会的进步和人们生活水平的提高，也不可避免地对环境产生污染。
废水就是其中之一。
随着石化、印染、造纸、农药、医药卫生、冶金、食品等行业的迅速发展，世界各国的废水排放总量急剧增加，且由于废水中含有较多的高浓度、高毒性、高盐度、高色度的成分，使其难以降解和处理，往往会造成非常严重的水环境污染。
为了处理每天大量排出的工业废水，人们也是蛮拼的。
物、化、生齐用，力、声、光、电、磁结合。
今天笔者为您总结用电’ 来处理废水的电化学水处理技术。
电化学水处理技术，是指在电极或外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程，对废水中的污染物进行降解的过程。
电化学系统设备相对简单，占地面积小，操作维护费用较低，能有效避免二次污染，而且反应可控程度高，便于实现工业自动化，被称为环境友好’ 技术。
电化学水处理的发展历程1799 年Valta制成Cu-Zn原电池，这是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源1833 年建立电流和化学反应关系的法拉第定律。
19世纪70年代Helmholtz提出双电层概念。
任何两个不同的物相接触都会在两相间产生电势，这是因电荷分离引起的。
两相各有过剩的电荷，电量相等，正负号相反，相互吸引，形成双电层。
1887 年Arrhenius提出电离学说。
1889 年Nernst提出电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方程。
1903 年Morse 和Pierce 把两根电极分别置于透析袋内部和外部溶液中，发现带电杂质能迅速地从凝胶中除去。
1905年提出Tafel 公式，揭示电流密度和氢过电位之间的关系。
1906年Dietrich 取得一个电絮凝技术的专利，专门有人和公司对电絮凝过程进行改进和修正。
1909年Harries （美国）取得电解法处理废水的专利，它是利用自由离子的作用和铝作为阳极。
1950年Juda首次试制成功了具有高选择性的离子交换膜，这促使电渗析技术进入了实用阶段，奠定了电渗析的实用化基础。
电化学水处理
四、重金属离子废水处理
• 与传统的二维电极相比，电沉积法的三维电极能够增加电 解槽的面体比，且因粒子间距小而增大了物质传质速度， 提高电流效率和处理效果。利用三维电极主要是处理含 Cu2+和Hg2+等的重金属废水，三维电极所提供的特殊表面 和很大的传质速率，能有效地处理稀溶液，这种电极能在 几分钟内将金属质量浓度从100 mg/L降至0.1 mg/L，除去 重金属离子的效率高，需要的空间少。离子交换树脂与铜 粒等比例混合制成的复合三维电极固定床电化学反应器， 用于处理低浓度含铜废水，且无须加入支持电解质(如硫 酸)，出口铜质量浓度为0.008 mg/L，达到国家排放标准。
2、酚类
• 目前，国内外对于含酚废水的研究较多，此类废水来源广、 污染重，是芳香化合物的代表。电化学氧化含酚废水的影 响因素有苯酚初始浓度、废水pH值、电流密度、支持电解 质种类等。周明华等[4]以经氟树脂改性的β -PbO2为阳极， 处理含酚模拟废水，在电压为7.0 V，pH值为2.0的条件下， 其COD可降至60 mg/L以下，挥发酚可完全去除。匡少平等 在隔离阴、阳极室条件下进行了电化学法降解含酚废水试 验，苯酚的转化率达95%以上；同时，分别对铅电极和钛 上电沉积二氧化铅的电极作为阳极进行了对比试验，发现 Ti/PbO2电极对苯酚的降解更加彻底。
6、其他电化学方法
• 电吸附、离子交换辅助电渗析以及电化学膜分离 等技术不仅可以用作清洁生产工艺，预防环境污 染，而且它们也是有效的工业废水处理方法。电 吸附法可以用来分离水中低浓度的有机物和其他 物质；离子交换辅助电渗析法具有可多样化设计、 适用范围广等优点，已成为环保开发应用的热点 技术；电化学膜分离技术是利用膜两侧的电势差 进行物质分离，常用于气态污染物的分离。
电化学水处理技术
一、电化学基本概念
4、电极
一、电化学基本概念
电极
阴极、阳极：按照电荷的流动方向分
一、电化学基本概念
电极
按照电化学体系中的作用分
工作电极(working electrode） 辅助电极（counter electrode) 参比电极（reference electrode)
一、电化学基本概念
二、电化学水处理技术
4、主要技术
电化学氧化 电化学还原 电吸附 电凝聚 电渗析
二、电化学水处理技术
4.1电化学氧化（阳极过程）
利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，或阳极反应产物（Cl2、 ClO－、O2）间接的氧化作用，降解消除水中的氰、酚以及COD、 S2－等污染物。
直接氧化
使有机物或还原性无机物氧化为无害物质， 对于难降解有毒有机物转化有意义
一、电化学基本概念
6、原电池与电解池
电解池
(electrolytic cell)
二、电化学水处理技术
1、定义
电化学水处理技术是指在外加电场的 作用下，在特定的电化学反应器内， 通过一定的化学反应、电化学过程或 物理过程，对废水中的污染物进行降 解的过程。
二、电化学水处理技术
2、基本原理 阳极过程：有机物氧化
直 接 电 解 原 理 间 接 电 解
阴极过程：卤代烃、重金属
可逆过程：金属氧化物高低价态 转化 不可逆过程：产生的强氧化性物质 或自由基
二、电化学水处理技术
3、电化学技术的优点
1、 环境兼容性高 电化学技术中使用清洁、有效的电 子作为强氧化还原试剂, 是一种基本对环境无污染的 “绿色”生产技术。 2、多功能性 电化学过程具有直接或间接氧化与还原、 相分离、浓缩与稀释、生物杀伤等功能，能处理到 1 ×10-6L的气、液体和固体污染物。 3、能量高利用率 与其他一些过程相比, 电化学过程可 在较低温度下进行。它不受卡诺循环的限制，能量利 用率高。通过控制电位、合理设计电极与电解池，减 小能量损失。 4、经济实用 设备、操作简单, 费用低。
污水处理电化学处理技术
高级氧化技术普通针对难降解有机废水，如医药、化工、染料工业废水以及含有难处理的有毒物质物质等。
第一节电化学处理技术电化学氧化法主要用于有毒难生物降解有机废水的处理，电化学水处理技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或者间接电化学而得到转化，从而达到削减和去除污染物的目的。
根据不同的氧化作用机理，可分为直接电解和间接电解。
直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或者还原而从废水中去除今直接电解可分为阳极过程和阴极过程。
阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或者易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。
阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除，阴极过程主要用于卤代经的还原脱卤和重金属的回收，如卤代有机物的卤素通过阴极还原发生脱卤反应，从而可以提高有机物的可生化性。
直接电解过程伴有着氧气析出，氧的生成使氧化降解有机物的电流效率降低，能秏升高，因此，阳极材料对电解的影响很大。
间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或者催化剂，使污染物转化成毒性小的物质。
间接电解分为可逆过程和不可逆过程。
可逆过程(媒介电化学氧化)是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。
不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、 H202 和 O2 等氧化有机物的过程，还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体，包括溶剂化电子、 HO、H02/02 等自由基。
1) 电化学方法既可以单独使用，又可以与其他处理方法结合使用，如作为前处理方法，可以提高废水的生物降解性；2) 普通电化学处理工艺只能针对特定的废水，处理规模小，且处理效率不高；3)有的电化学水处理工艺需消耗电能，运行成本大。
电化学反应器按反应器的工作方式分类可分为：间歇式、置换流式和连续搅拌箱式电化学反应器。
按反应器中工作电极的形状分类可分为二维电极反应器、三维电极反应器。
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从而实现污染物的分离。
气浮池
平流式气浮池
气浮装置
竖流式气浮池
电气浮法的局限性和发展方向
电气浮法中，通常采用的阳极材料为金属铝或铁， 由于该方法在消耗铝材的同时还消耗大量的能源，因而 它的应用受到了一定的限制。
当前的发展方向是通过改进电源技术、研究新型电 极材料及结构，使电能消耗和材料消耗进一步降低。
3. 铁屑的还原吸附和活性炭吸附作用 在弱酸性溶液中，比表面积丰富的铁屑利用其较高的表面活性吸附多种金属离子， 促进金属去除。而铸铁是多孔性物质，利用高表面活性吸附废水中有机污染物。活 性炭吸附能力强，废水中的固体颗粒易被它吸附。
4. 电泳作用 在微电池周围电场作用下，废水中胶体状态的带电污染物在静电引力和表面能的作 用下，向带有相反电荷的电极移动，附集并沉积在电极上而得以去除。
作用机理
1. 氢的还原作用 电生还原作用，破坏 发色物质发色结构，使偶氮基断裂，大分子分解成小分子，硝基化合物还原为胺基 化合物，达到脱色的目的且使废水组成向易生化方向转变。
2. 铁的混凝作用 从阳极得到的 离子在有氧和碱性条件下会生成Fe(OH)2和Fe(OH)3。具有强吸 附能力的Fe(OH)3胶体吸附废水中的悬浮物、一些不溶物及不溶性染料，使其凝聚 沉降。
改进——复合金属氧化物电极
3、 内电解法
内电解法又称为微电解法，是基于电 化学反应的氧化还原、电池反应产物的絮 凝、铁屑对絮体的电附集、新生絮体的吸 附以及床层过滤的综合作用。微电解法以 铁屑和炭构成原电池，污染物在正，负极 上生化学反应，加上原电池自身的电附集 、物理吸附及絮凝等作用达到去除污染物 的目的。微电解法不消耗能源，处理费用 低，使用的铁屑多来自切削工业的废料， 具有以废治废的意义。
按技术方法分类
电气浮法 电化学氧化法 内电解法 电渗析法 电吸附法
1、电气浮法
电气浮法也叫电凝聚法或电凝聚气浮法，即在外电压作用下利用可溶性
阳极(铁或铝)产生等大量阳离子
，通过絮凝生成Fe(OH)2、
Fe(OH)3、Al(OH)3 等沉淀物，对胶体污染物进行凝聚，以去除水中的污染物
。同时阴极上析出大量氢气微气泡，与絮凝污物一起上浮并从废水中除去，
铁碳内电解填料
内电解法的反应器中堆填铁屑、颗粒活性炭，它们在废水中
形成无数个微小的原电池，铁屑为阳极，颗粒炭为阴极，其电极 反应为：
阳极：Fe -2e→
， ( /Fe)=-0.440v
阴极：2 +2e → 2H•→ H2 ， ( /H )=-0.000V
(在酸性或偏酸性溶液中)
当有 O2 时(在中性或碱性溶液中)： O2 +4 +4e− →H2O ， (O2/H2O) = 1.22V O2+2H2O+4e− → 4 ， (O2/ )=0.41V
2、电化学氧化法
电催化氧化是通过阳极反应直接降解有机物，通过阳极和催化 材料反应产生的超氧自由基（•O2）、H2O2、羟基自由基（•OH） 等一类活性基团来氧化降解水体中的有机物。该方法具有有机物氧 化彻底，不易产生有毒中间产物，无二次污染等优点。
电化学氧化原理是：有机物的某些官能团具有电化学活性， 通过电场的强制作用，官能团结构发生变化，从而改变了有机物 的化学性质，使其毒性减弱以至消失，增强了生物可降解性。
电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种，属于阳极过程。直接 氧化是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质；间接氧化则是通过 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，使被处理污染物氧化，最终转化为无害物质。
对于阳极直接氧化而言，如反应物浓度过低会导致电化学表面反应 受传质步骤限制；对于间接氧化，则不存在这种限制。
在直接或间接氧化过程中，一般都伴有析出H2 或O2 的副反应，但通 过电极材料的选择和电势控制可使副反应得到抑制。电化学氧化技术在 生活污水和工业废水的处理中已有一定的应用，并取得良好的效果。
电氧化电极
电极在电氧化技术中处于“心脏”的地位，我们希望电极对 所处理的物质表现出高的反应速率，且具好的选择性，则电氧化 电极应具有良好的导电性、高的催化活性和良好的稳定性。
4、电渗析法
电渗析(ED)技术是膜分离技术的一种，它是将阴、阳离子交换膜交替排 列于正、负电极之间，并用特制的隔板将其隔开，组成淡化和浓缩两个系统， 在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电 解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。
几种常见的电渗析过程
① 倒极电渗析（EDR），为电渗析的应用前景提供了一个重要方向，根据ED原理， 每隔一定时间，正负电极极性相互倒换（频繁倒极），能自动清洗离子交换膜和电 极表面形成的污垢、以确保离子交换膜效率的长期稳定性。在废水处理方面的应用 有其独到之处，EDR水循环，水回收率最高可达95%，它的服役寿命长，管理简单， 与其他方法相比更有竞争力。
间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染 物转化成毒性更小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程是指氧 化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电化
学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐、H2O2和O3等氧化有机物
的过程。
电化学水处理技术
电化学水处理技术的分类
按作用机理分类
直接电解 间接电解
阳极过程 阴极过程
可逆过程 不可逆过程
直接电解是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从废水中去除。直接电解可 分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小 的物质或易生物降解的物质，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污 染物在阴极表面还原而得以去除，主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。