电化学水处理技术

电化学水处理技术

作者：荣福林

介绍

随着科学技术的迅速发展，工业污染和生态破坏以前所未有的速度显现出来，逐渐的影响着人类的生活，于是人类开始意识到应该保护环境、拯救人类赖以生存的地球，实现可持续发展已成为人类共同的选择。

目前世界各国对工业废水的处理研究甚多，其中电化学法设备占地面积小，操作灵活，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，甚至连一些无法生物降解的有毒有机物与某些含重金属污水都可用此方法进行处理; 再加上风力、核电等新兴发电技术的大力发展和推广应用带来的电能成本降低，使得电化学方法在治理废水方面具有更大的优势。

由于水平有限，文中有不当之处，恳请各位同仁指正。

1电化学法的分类

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间接电化学转化，即直接电解和间接电解。

1）直接电解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，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，主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。

2）间接电解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（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、H

2O

2

和O

3

等氧化有机物的过程。[1]

电化学法处理废水的工艺有很多种，其中以微电解技术、电催化技术应用的最为广泛,这里简单介绍一下微电解技术和电催化技术的原理及应用。

2微电解技术

原理：微电解技术是目前处理高浓度有机废水的一种理想工艺，该工艺用于高盐、难降解、高色度废水的处理不但能大幅度地降低COD和色度，还可大大提高废水的可生化性。

微电解法，又称内电解法、铁还原法、铁碳法、零价铁法等。该方法处理废水的原理是：利用铁屑中的铁合碳组分构成微小原电池的正极和负极，以充入的废水为电解质溶液，发生氧化-还原反应，形成原电池。新生态的电极产物活性极高，能与废水中的有机污染物发生氧化还原反应，使其结构、形态发生变化，完成难处理到易处理、由有色到无色的转变。[2]

还原作用：铁屑内电解法处理废水过程中，发生如下反应：

阴极（Fe）:Fe-2e→Fe2+ E0（Fe2+/Fe）=-0.44V

阴极（C）：在酸性条件下：

2H++2e→H

2↑ E0（H+/H

2

）=0.0V

在碱性或中性条件下：

O 2+2H

2

O+4e→4OH- E0（O

2

/OH-）=+0.4V[3]

电极反应生成的产物具有很高的化学还原活性。在偏酸性废水中，电极反应产生的新生态H能与废水中的有机物和无机物组分发生氧化还原反应，能使废水中的发色基团破坏甚至使高分子断链，从而达到脱色的目的。

同时，铁是活泼金属，在酸性条件下可把某些硝基化合物还原成可生物降解的胺基化合物，提高BOD

5

/COD比值，即增强可生化性。反应式如下：

R—NO

2+2Fe+4H+→R—NH

2

+2H

2

O+2Fe2+

电解生成的铁离子、亚铁离子经水解、聚合而形成的氢氧化铁、氢氧化亚铁聚合体，以胶体形式存在，具有沉淀、絮凝和吸附作用，与污染物一起絮凝产生沉淀，可以去除水中的有机物。同时在原电池周围的电场作用下，废水中带电胶粒和杂质通过静电引力和表面能的作用附集、凝聚，也可以使废水得到净化。总之，铁碳内电解法处理废水是絮凝、吸附、架桥、卷扫、电沉积、电化学还原等综合效应的结果。

特点：1.反应速率快，一般工业废水只需要数分钟至数小时；

2．作用有机污染物质范围广，如：含有偶氮、碳双键、硝基、卤代基结构的难降解有机物质；

3.运行成本极低，只消耗少量的单质铁（最理想并且价廉易得的是金属加工废料铁刨花）；

4.使用寿命长，操作维护方便，微电解塔只要定期的添加铁屑便可，惰性电极不用更换，腐蚀电极每年补充投入两次；

5.具有良好的混凝效果，COD去除率高；

6.该方法既可以作为单独的处理方法，又可作为生物法的预处理工艺，除废水的生化性得到提高外，有利于活性污泥的沉降性能和生物膜法的挂膜性能；

7.该方法可以达到化学沉淀除磷的效果，还可以通过还原除重金属。

应用：染料、印染废水；焦化废水；石油化工废水；----上述废水在脱色的同时，处理水中的BOD/COD值显著提高。

石油废水；皮革废水；造纸废水、木材加工废水；----上述废水处理水后的BOD/COD值大幅度提高。

电镀废水；印刷废水；采矿废水；其他含有重金属的废水；----可以从上述废水中去除重金属。

有机磷农业废水；有机氯农业废水；----大大提高上述废水的可生化性，且可除磷，除硫化物。

3电催化技术

原理：所谓的电催化，是指在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作用。由于电场强度很高，对参加电化学反应的分子或离子具有明显的活性作用，使反应所需的活化能大大降低，所以大部分电化学反应可以在远比通常化学反应低得多的温度下进行。在电催化反应中，由于电极催化剂的作用发生了电极反应，使化学能直接转变成电能，最终输出电流。[4]

电催化反应的共同特点是反应过程包含两个以上的连续步骤，且在电极表面上生成化学吸附中间物。许多由离子生成分子或使分子降解的重要电极反应均属于此类反应。有人将它们分为两类：

1．离子或分子通过电子传递步骤在电极表面上产生化学吸附中间物，随后吸附中间物经过异相化学步骤或电化学脱附步骤生成稳定的分子。如酸性溶液中的氢析出反应：

O H H M e M O H 23+-→++-+（质子放电）

O H M H e O H H M 223++→++--+（电化学吸附）

M H H M 222+→-（表面复合）[5]

式中，M-H 表示电极表面上氢的化学吸附物种。

2．反应物首先在电极上进行解离式(dissociative)或缔合式(associative)化学吸附，随后吸附中间物或吸附反应物进行电子传递或表面化学反应。 如甲醛的电氧化：

COOH M H M M HCOOH -+-→+2

-+++→-e H M H M

-++++→-e H CO M COOH M 2

或者

O H CO M M HCOOH 2+-→+

-+++-→+e H OH M M O H 2

++→-+-H CO OH M CO M 2[6]

式中，R M -(R 分别是-H 、-COOH 、-CO 或-OH)表示电极表面上的化学吸附物种。此类反应的例子尚有甲醇等有机小分子的电催化、H 2的电氧化以及O 2和Cl 2的电还原。

2）电催化与常规化学催化及电化学反应的区别

电催化反应与常规化学催化反应本质的区别在于反应时，在它们各自的反应界面上电子的传递过程是根本不同的。在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程中，既不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或获得电流。另外，在常规化学催化反应中，电子的转移过程也无法从外部加以控制。而在电极催化反应