交變脈沖電源下的電絮凝研究

（上海百圖高新材料科技有限公司 上海 201206）

隨著社會技術的進步，各行各業對于水資源的需求日益劇增。但地球生態環境中水資源的總量是有限的，其中淡水資源尤其短缺，只有2.7%的水可供人飲用的淡水[1]。為了有效的提升水資源利用率，人類一直以來對于水資源的重復利用都予以高度重視，因此各種水污染控制手段層出不窮。

電絮凝是一種典型的電化學處理技術，其具有污泥產生少，無需化學添加劑，占地面積小且不影響水質等特點[2]，因而也被認為是一種“環境友好技術”，同時也被認為是最有可能產業化的技術之一[3]。但電絮凝又不單是簡單的電化學處理，因為除電極反應外，其在陰陽兩極所產生的氣體還需有氣浮的作用，其產生的溶解性Fe離子或Al離子同時又可以與水中的水合氫氧離子反應形成混凝效果，因此，電絮凝一般被認為是一種集混凝、氣浮、電化學于一體的新興水處理技術。

電絮凝設備施加電源的種類包括直流電源和脈沖電源[4-5]。電絮凝設備采用脈沖電源時，能耗明顯降低，而且脈沖電壓的加入使電極反應斷續進行，防止電極鈍化，且有利于減少濃差極化。另外，當絮凝槽電極施加電場定時換相時，可以從兩極產生陽離子，且由于兩極極性的周期性變化，也對防止電極鈍化有積極作用。

1.裝置與方法

(1)實驗裝置

實驗過程所用電絮凝裝置采用自行設計定做的電絮凝裝置。外殼容器為UPVC板加工而成，內部通過極板插入的方式以實現極板分格。除接觸電極外，中間插入若干塊誘導極板。如圖1所示。電絮凝設計流量1m3/h。

電絮凝電源選用交變脈沖直流電源，其電源輸出為方波波形，波形脈沖頻率可調。電源支持設定的正負極轉換操作。

圖1 實驗裝置圖

(2)實驗方法

以鐵板作為絮凝電極板，每次實驗之前將鐵板進行酸洗處理后使用。通過投加硫酸鈉鹽，調節進水水樣中的電導值至實驗設定電導值，手動測定進水中的pH、ORP。然后調節進水流量為1m3/h。啟動電絮凝電源，觀察實驗過程中出水的pH、ORP、電導隨時間的變化。待穩定后，記錄出水pH、ORP、電導、電源輸出電流數據、電極板正負極實際電壓值。同時對進出水進行取樣，測定進出水的Fe離子濃度，通過一定過水總量下鐵溶出的總量。

實驗過程中，通過電源輸出旋鈕控制電流輸出值；通過硫酸鈉鹽溶解量控制水體電導；通過改變接電電極的插入位置從而調整電極之間的間距。

依據電化學原理，極板溶出物應遵循法拉第定律，見式（1）。

式中：I為電流A；t為操作時間，s；Mw為分子量，g/mol；m為陽極溶解質量，g；F為法拉第常數，96.485C/mol；z為參與反應的電子數。

通過實際電流輸出值及溶出總鐵量，計算實際電流效率。

(3)分析方法

分析方法及分析儀器見表1。

表1 分析方法一覽表

2.實驗結果及討論

(1)不同電導率溶液對電流效率的影響

實驗過程控制電源脈沖頻率為30Hz，控制模式選定為恒流模式。極板間距為47mm。配置不同溶液電導，調整電源輸出電流分別為25A、50A和80A。

在實驗條件下，電流值越低，其溶出鐵量越少，符合法拉第定律。同時，隨著溶液電導率條件變化，溶出鐵量逐步增加。隨著溶液電導率的增加，電解槽的電流效率逐漸增加。在較低的電導溶液條件下，溶液本身的電阻值相對較高，接電電極兩端的電勢差也就越高，當其高于鐵元素反應電勢式，將會與水中的離子發生電化學反應，從而降低電絮凝的電流效率。

當溶液電導率達到6.5mS/cm以上時，系統的電流效率才可能達到90%以上。考慮到電流損耗會影響電化學系統的能源消耗水平，在工業上使用，應考慮電絮凝技術盡量使用在電導值超過6.5mS/cm的水溶液環境中。

(2)不同電極間距對電流效率的影響

實驗過程控制電源脈沖頻率為30Hz。調控電源輸出為恒壓模式，配置不同溶液電導，調整接電電極板間距分別為5mm、19mm和47mm。

溶液電導值為0.3mS/cm時，19mm與47mm鐵溶出極低。也就意味著在此間距條件下，溶液本身電阻值已經嚴重影響連接電路的電流。有效電流的降低導致實際鐵溶出顯著減少。而5mm間距的極板條件，系統的電流值仍可維持在一個較高值，鐵溶出反應更為明顯。

在實驗條件下，隨著溶液電導增加，整體的電流效率也呈現逐步增高的趨勢。但在不同電導值溶液內電流效率的變化并不完全趨同。在低電導溶液條件下，47mm極板間距的電流效率明顯小于另外兩組條件。而在2.5mS/cm條件下，19mm和47mm都出現了一個顯著的峰值。

從高電導條件（大于6.8mS/cm）下來看，19mm極板間距的電流效率最高，47mm極板間距的電流效率最低。這也意味著在電解槽的設計過程中，在特定電解質溶液中，電極板的間距設計應該存在一個優化合理值，過大或過小都不利于電絮凝反應。

(3)電源倒極操作的影響

倒極操作選用1mS/cm的溶液，電源模式選定為恒流模式，電流控制值為1A，極板間距為61mm。

當每次倒極操作時，電壓都會出現顯著的階躍。此現象應與倒極后平行板電極出現容抗有關。隨著倒極完成，電壓在60s內方能趨于穩定，且穩定期內電壓變化很小。

值得注意的是，雖然實驗只運行較短的時間，但每次倒極后穩定期的數值較上一周期的數值有所增高。

(4)電絮凝的功耗水平

電絮凝作為一種新型的水處理技術，僅消耗電能即可完成水質中的污染物凈化，但在實踐過程中，常常因為其使用功耗較高而備受詬病。為了了解電絮凝的能源消耗以及處理成本，在實驗過程中對不同電導率溶液條件下的功耗水平進行了監測。

控制進水流量為1m3/h，通過電源輸出電流與實測槽電壓計算實際功耗。

整體來看，隨著溶液的電導率增加，同樣電流條件下的功耗水平呈下降趨勢，而且當整體過程中，功率消耗可低于500Wh/m3。不過當溶液電導率增長至4.2mS/cm以上時，其功耗水平基本保持穩定，小于300Wh/m3。隨著電流輸入的增加，功耗水平也是成對應的增加關系，并未因為電流效率的變化而出現明顯功耗升高。

由于實驗過程中，不同輸入電流條件，水中溶出鐵量并不盡相等，因此在電絮凝工藝設計過程中應重點追求同等溶出量下的低電流運行條件。

3.結論

（1）在交變脈沖直流電場條件下，以鐵作為電絮凝發生極板，其鐵絮體溶出符合法拉第定律；

（2）當溶液電導率達到6.5mS/cm以上時，系統的電流效率方能達到90%以上；

（3）在低溶液電導條件下（小于2mS/cm），電解電流值越低，電流效率也越低。而當溶液突破一定的電導率條件值后（2.5mS/cm），不同電流條件下其電流效率相對較為接近；

（4）在特定電解質溶液中，電極板的間距設計應該存在一個優化合理值，過大或過小都不利于電絮凝反應；

（5）倒極操作過程會在初期產生容抗，而導致電壓增加，間接增加能耗水平；而且每次倒極后電壓值較上一周期有所增高，呈現出電極鈍化現象；

（6）當溶液電導率達到4.2mS/cm以上時，其功耗水平可小于300Wh/m3。