便攜式電凝聚飲水機(jī)的研制

張 璟,丁忠浩

(武漢紡織大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北武漢430073)

1 引言

1.1 國(guó)內(nèi)外水資源現(xiàn)狀

水資源是世界上分布最廣,數(shù)量最大的資源。水覆蓋著地球表面70%以上的面積,總量達(dá)15億km3;也是世界上開發(fā)利用得最多的資源。現(xiàn)在人類每年消耗的水資源數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他任何資源,全世界用水量達(dá)3萬(wàn)億t。同時(shí),水也是地球上許多地區(qū)的稀缺資源。地球上水資源的分布很不均勻,各地的降水量和徑流量差異很大。全球約有1/3的陸地少雨干旱,加上人類活動(dòng)的破壞和污染,缺水問(wèn)題困擾人類,我國(guó)是全球13個(gè)嚴(yán)重缺水的國(guó)家之一。

運(yùn)用科學(xué)技術(shù)比如電凝聚飲水等技術(shù)是解決潔凈飲水的途徑之一。

2 電凝聚法處理微污染水源水技術(shù)

2.1 電凝聚法原理

電凝聚技術(shù)具有許多傳統(tǒng)水處理工藝所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì),能同時(shí)除去或降低有機(jī)物、細(xì)菌、色度、重金屬等有毒物質(zhì)。在常規(guī)的水質(zhì)凈化中,一般投加混凝劑,壓縮膠體的雙電層,并通過(guò)吸附架橋作用,形成較大的礬花,使之沉淀去除。通常的混凝劑為固態(tài)或半液態(tài),需專用的溶解池,并在溶液池調(diào)制成一定的比例后再通過(guò)專用計(jì)量設(shè)備投加,運(yùn)行和管理比較復(fù)雜[4]。而采用電凝聚可以通過(guò)改變電流密度控制混凝劑的量,可以省去常規(guī)的溶解、調(diào)配、計(jì)量等一系列設(shè)備,操作管理方便。

2.2 組合工藝及設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 組合工藝的確定

對(duì)于給水工藝來(lái)說(shuō),組合是很好的方法。電凝聚方法能有效地去除水中的各種污染物包括有機(jī)物和各種離子,如果與其它工藝相組合,形成更加好的處理效果,就可以將它應(yīng)用在實(shí)際當(dāng)中[5]。電凝聚殺菌效果很好,但殺菌率也只能達(dá)到91%,如果結(jié)合紫外線殺菌就可使殺菌效果幾近完美。對(duì)于有機(jī)物及水中其它雜質(zhì)如在最后加上膜處理,在電凝聚過(guò)程中增加氣浮,增大電凝聚池的分離效率,就再無(wú)后顧之憂[6]。最后確定了以下的組合工藝,見(jiàn)圖1。

圖1 電凝聚法處理微污染水工藝流程圖

2.2.2 電凝聚的工藝參數(shù)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[7],并結(jié)合文獻(xiàn)數(shù)據(jù),可以得出當(dāng)電凝聚的電流密度I為1.5h,即1.16mA/cm2的時(shí)候 ,處理時(shí)間 t通電為 10m in,沉降時(shí)間t沉降為10m in,這時(shí)的處理效果為最佳效果。這時(shí)的單位體積水所耗的電量為：Q=I＊L＊t=9.4x×1×10×60C/m3=5 640C/m3.

2.2.3 設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

設(shè)計(jì)的飲水機(jī)要滿足不斷的供水需要,就要使進(jìn)水速度即處理速度等于出水速度。這樣依照習(xí)慣,取出水速度等于1L/min,也就確定了處理速度為1L/min。供水設(shè)備的電凝聚槽的體積為V1=v?t通電=1×10L=10L。同理可得,沉降槽的體積V2也為10L。貯水池的體積V3可依照習(xí)慣取2L。在制作供水設(shè)備的具體制作當(dāng)中,依照實(shí)際情況做了適當(dāng)調(diào)整。(箱體尺寸為280mm×360mm×250mm)最后的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖和流程示意圖如圖2、圖 3。

2.2.4 便攜式供水設(shè)備對(duì)微污染水的處理效果

研制出便攜式供水設(shè)備后,分別用該設(shè)備對(duì)長(zhǎng)江水、東湖水進(jìn)行了處理。經(jīng)湖北省衛(wèi)生防疫站檢測(cè),其出水完全符合《中華人民共和國(guó)生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》(2001年)。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。表1設(shè)備進(jìn)水為東湖水,設(shè)備出水為東湖水經(jīng)設(shè)備處理后的凈化水;表2設(shè)備進(jìn)水為長(zhǎng)江水,設(shè)備出水為長(zhǎng)江水位沒(méi)有處理后的凈化水。

圖2 便攜式供水設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 便攜式供水設(shè)備流程示意圖

表1 設(shè)備對(duì)東湖水的處理情況

結(jié)果匯總：東湖水經(jīng)該設(shè)備處理后,所檢指標(biāo)均符合《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》(2001)的規(guī)定要求。

表2 設(shè)備對(duì)長(zhǎng)江水的處理情況

結(jié)果匯總：長(zhǎng)江水經(jīng)該設(shè)備處理后,所檢指標(biāo)均符合《生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范》(2001)的規(guī)定要求。

3 電凝聚法處理微污染水源水機(jī)理分析

3.1 電凝聚法去除水中有機(jī)物及懸浮物的機(jī)理分析

3.1.1 電凝聚過(guò)程分析

在電凝聚過(guò)程中[8],電極的作用表現(xiàn)在2個(gè)方面：電極是電子的傳遞者,氧化、還原反應(yīng)可以在電極表面進(jìn)行;電極表面是“反應(yīng)區(qū)域”,起著相當(dāng)于多催化反應(yīng)中催化劑表面的作用。一般來(lái)說(shuō),電極反應(yīng)由下列單元步驟串聯(lián)而成：反應(yīng)離子或反應(yīng)物向電極表面遷移(液相中的傳質(zhì)步驟);反應(yīng)離子或反應(yīng)物在電極表面吸附(表面轉(zhuǎn)化步驟);在電極表面得到或失去電子,生成反應(yīng)產(chǎn)物(電化學(xué)步驟);反應(yīng)產(chǎn)物在電極表面上脫附或在表面附近的液層中進(jìn)行化學(xué)變化(表面轉(zhuǎn)化步驟);反應(yīng)物生成新相,并自表面向溶液內(nèi)部傳遞(液相中的傳質(zhì)過(guò)程)。

當(dāng)用鋁電極進(jìn)行電凝聚處理時(shí),鋁離子大量溶于水中,所形成鋁絡(luò)離子凝聚作用較強(qiáng),水中COD和濁度的去除率較高,也就是電凝聚過(guò)程中廢水里的鋁離子及其各種絡(luò)離子的量是影響電凝聚效率的關(guān)鍵因素。在試驗(yàn)過(guò)程中仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)電凝聚槽里有微小的氣泡發(fā)生,是水中的離子或基團(tuán) 在電凝聚過(guò)程中發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng),被還原成氣體所致[9]。由上可見(jiàn),當(dāng)用鋁板作電極進(jìn)行電凝聚處理時(shí),陽(yáng)極上的反應(yīng)：

A l→A l3++3e,

A l3++6H2O→[A l(H2O)3]3+.

陽(yáng)極上的副反應(yīng)：

C l-+2OH-→ClO-+H2O+2e,

C l-→Cl2+2e.

陰極上的反應(yīng)：

O2+2H 2O+4e→4OH-.

陰極上的副反應(yīng)：

A l3++6H2O+6e→2A l(OH)3+3H2↑.

陽(yáng)極副反應(yīng)的產(chǎn)物是次氯酸鹽,它是一種強(qiáng)氧化劑,能將水中的有機(jī)物氧化分解成分子量較小的有機(jī)物和變成無(wú)害成分[10]。電解過(guò)程中新生的氫氧化鋁凝聚作用強(qiáng),可有效地吸附和絮凝水中的膠體有機(jī)物及懸浮物,強(qiáng)化浮上分離及沉降效果。陰極副反應(yīng)的產(chǎn)物是氯氣,它溶于水中生成次氯酸,同樣也能氧化水中的有機(jī)物。電凝聚前后水的色度明顯降低,得益于在陰極上還發(fā)生還原反應(yīng),使氧化型色素還原成無(wú)色。

3.1.2 A l3+的絮凝吸附機(jī)理

用電凝聚法得到的鋁絡(luò)合離子有很高的吸附活性,其吸附能力高于一般藥劑水解法得到的 A l(OH)3的吸附能力[11]。電凝聚法降低微污染水中COD的機(jī)理與混凝法有很大類似,它主要是借助于電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的凝聚作用。電解過(guò)程中,pH值為6.9～8,這樣,在由[A l(H2O)6]3+最終趨于 A l(OH)3?(H2O)3的中間過(guò)程中,羥基可把單核絡(luò)合物通過(guò)橋鍵縮聚為多核絡(luò)合物：

上述縮聚反應(yīng)的連續(xù)進(jìn)行,將使絡(luò)合物逐漸形成高分子聚合物。這種高聚合物具有線型結(jié)構(gòu),通過(guò)范德華引力、氫鍵、物理、化學(xué)的吸附作用吸附水中的膠體與懸浮物[12]。另外,電解生成的A l3+和OH-最終可生成A l(OH)3膠體凝聚劑,在適當(dāng)?shù)膒H值條件下,它吸附水中的膠體與懸浮物的鋁高聚物逐漸形成絮花,最后得以沉降。從DLVO理論(The Derjaguin Landau and Verwey Overbeck Theory)對(duì)膠體系統(tǒng)的描述來(lái)看,其基本特征是：具有一定分散度的多相系統(tǒng),是一個(gè)熱力學(xué)不穩(wěn)定系統(tǒng)。在膠體系統(tǒng)中聚結(jié)的傾向總是大于分散的傾向。

3.1.3 電氣浮原理

微污染水在電解時(shí),由于水的離解及有機(jī)物的電解氧化,在陽(yáng)極、陰極表面會(huì)產(chǎn)生大量的微小氣泡,析出氣體,這些氣泡在上升過(guò)程,可俘獲、粘附水中大量的雜質(zhì)微粒及有機(jī)物浮到水面,從而達(dá)到分離的效果,反應(yīng)機(jī)理如下[13]：

陰極：2H++2e→H2↑,

2A l++6H2O→2A l(OH)3+3H2↑.

陽(yáng)極：4OH--4e→2H2O+O2↑.

另外,微污染水在直流電作用下,電解氧化時(shí),有機(jī)物可產(chǎn)生CO2,氯化物可產(chǎn)生Cl2。產(chǎn)生的氣泡粒徑很小,密度也很小(見(jiàn)表3)。因此這些氣泡具有強(qiáng)大的俘獲、浮載的能力。

表3 幾種氣浮法產(chǎn)生的與平均密度的比較

這些氣泡對(duì)電凝聚過(guò)程產(chǎn)生的聚團(tuán)、水中的懸浮物產(chǎn)生承載作用,帶著這些顆粒上升到水面,類似選礦中的浮選作用[14]。因此,電凝聚過(guò)程中的礬花在一定時(shí)間內(nèi)是浮在水面上,而不是沉在底部。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后,由于氣泡的破滅,水面上的礬花失去原來(lái)的承載力,又慢慢地沉到底部。電凝聚產(chǎn)生的氣泡粒徑小、不易破裂,故礬花由水面沉到底部的時(shí)間是較長(zhǎng)的,一般要幾個(gè)到幾十個(gè)小時(shí)。

3.2 電凝聚法殺菌機(jī)理分析

用電解法對(duì)飲用水進(jìn)行殺菌、消毒,目前在國(guó)內(nèi)研究不多。日本TsuzukiKoichi研究了用電解法殺滅微孢藻藻類,使水純化,在電壓為10V,電解時(shí)間為5min時(shí),湖水中細(xì)菌的去除率達(dá)98%,游離氯達(dá)10mg/L,這也意味著電解產(chǎn)生的游離氯起著非常重要的作用。傅金祥等也發(fā)現(xiàn)隨著水中Cl-增大,殺菌效果愈明顯[15]。研究中隨機(jī)測(cè)試了部分電凝聚出水的游離氯,一般大于0.05mg/L。對(duì)于電凝聚殺菌機(jī)理比較復(fù)雜。電極反應(yīng)中產(chǎn)生的Cl2、Cl-、HCl對(duì)殺菌的作用不容質(zhì)疑。另外在陽(yáng)極反應(yīng)中生成的O2也不能完全忽視。這是因?yàn)楫a(chǎn)生的O2水解在陰極還原產(chǎn)生過(guò)氧化氫陰離子,過(guò)氧化氫陰離子可進(jìn)一步分解過(guò)氧化氫等活性物質(zhì),另外過(guò)氧化氫可在還原態(tài)金屬離子的作用下形成羥基自由基。羥基自由基很活潑,幾乎可以和任何活細(xì)胞的分子反應(yīng),從而破壞細(xì)胞膜并滲透到細(xì)胞內(nèi)破壞有機(jī)物的鏈狀結(jié)構(gòu),從而使微生物死亡。另外,微生物在水中一般表現(xiàn)為帶負(fù)電,因此會(huì)向陽(yáng)極遷移、聚集而造成生物放電直接死亡,或因處于電流導(dǎo)通路上遭受高速運(yùn)動(dòng)的電子的沖擊死亡。

3.2.1 氯殺菌

電解含氯廢水,產(chǎn)生CLO-和少量更高價(jià)的氯鹽。在電解過(guò)程中陽(yáng)極上發(fā)生如下反應(yīng)：

2CI—2e→Cl2,Cl2+H2O →HCIO+HCI.

OH-離子擴(kuò)散到陽(yáng)極周圍的液層中與HCIO反應(yīng)生成CIO-：

HCIO+OH-→H 2O+CIO-.

并有可能進(jìn)一步反應(yīng)生成氯酸：

12CIO-+6H 2O-12e→4HCIO3+8HCI+3O2.

所產(chǎn)生的HCIO和HCIO3均是強(qiáng)氧化劑,對(duì)微生物有較強(qiáng)的殺滅效果。

3.2.2 氧化物殺菌

電解過(guò)程產(chǎn)生H 2O2或?OH和O2,

H2O2-e→?OH+H+,?OH+?OH→H 2O2.

或在電解和催化作用下生成H 2O2,再轉(zhuǎn)化成氧化性極強(qiáng)的羥基自由基?OH：

H2O2+e→?OH+OH-,H2O2+?OH→H2O+HO2

H2 O2和?OH均有強(qiáng)殺菌作用。另外,還產(chǎn)生了超氧陰離子O2-等其他活性物質(zhì),這可能是水在電解過(guò)程中除產(chǎn)生極化現(xiàn)象外,其中的溶解氧得到了活化。以上兩種均屬間接殺菌作用。

3.2.5 電殺菌

電解直接作用于細(xì)菌活細(xì)胞體,破壞某個(gè)細(xì)胞器,致使細(xì)菌死亡(例如電離細(xì)胞質(zhì),脈沖電壓擊穿細(xì)胞膜等)。尤其是在吸附-電解殺菌裝置中,吸附劑一般有大量的過(guò)度孔和微孔,有較大的物理吸附能力。細(xì)胞被吸附在聚集吸附區(qū)內(nèi)有利于集中電解殺滅。細(xì)菌的電解殺滅,又恢復(fù)了吸附劑的部分吸附能力,發(fā)生“自我再生”作用。

4 結(jié)語(yǔ)

電凝聚技術(shù)還存在許多不足之處：需要定期更換電極;溶液要保持一定的電導(dǎo)率;耗電量較大等。為此,今后應(yīng)對(duì)電凝聚過(guò)程中的物理、化學(xué)過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行深入研究;對(duì)電極材料、極化方式以及各種因素著手,尋找新的電極材料;將電凝聚與傳統(tǒng)工藝結(jié)合,發(fā)揮各自特長(zhǎng)。隨著電凝聚技術(shù)的進(jìn)一步完善,在生活中的應(yīng)用將更加廣泛。

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