電化學技術在水處理中的應用進展

張楠，高山雪，陳蕾

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

當今社會中，水資源嚴重短缺，在工業技術飛速發展的情況下，大量的工業廢水被產出，又給這種不利狀況帶來了更加嚴重的問題。因此，工業費水的凈化逐漸變成了目前環境保護中亟待解決的一個很重要的問題[1]。電化用水處理技術一般無需引進其他物質，反應物質是電子，它的這一特性從根本上體現了電化學在處理過程中產生污染較低、綠色環保的特點[2-3]。反應物直接進入反應系統參與反應，可參與反應的有機物種類較多，要求較低，同時能量利用效率也得到了提高。電化學技術的反應裝置簡單易操作，反應條件也較溫和，工藝整體較簡單，自動化控制也比較容易實現，其工業應用前景較明朗[3-4]。

1 電化學水處理技術的原理

電化學技術處理廢水是一個復雜的過程，在特定的電化學反應器中，由于電場的作用，反應器中的電子在該作用下會進行定向的轉移，因此水中的污染物會在其中發生特定的物理和化學反應，從而被去除[5-7]。物理過程主要包含對污染物的吸附、絮凝和分離，化學過程可分為直接電解和間接電解。直接電解從字面就可以理解，就是指污染物直接在電極中被還原或氧化，而這一過程又包括了陽極以及陰極這兩種處理過程。當反應發生在陽極表面，且污染物被氧化成毒性低、容易被生物降解甚至可以直接礦物化的物質，通過這種途徑來使得水中的污染物含量降低或者被徹底去除[8-9]。陰極過程主要用于回收重金屬、還原鹵化烴。其中污染物在陰極表面被減少和消除。間接電解是間接的反應，指需要借助強氧化產物或者由電化學反應產生的中間還原物質來對污染物進行轉化或降解。

電化學水處理技術被稱為 “綠色”水處理技術，因此其與傳統的水處理技術相比，具有很突出的優點。首先，其反應裝置構造簡單，也比較靈活，既可以單獨處理污水，也可作為與其他處理技術相結合的先進預處理工藝使用；其次，電化學的處理技術與其他技術相比，更加易于操控，其只需控制電流與電壓，更加易于實現自動化；此外，該技術不需要特殊的反應條件，且常溫常壓就可以實現，而且其所需投加的藥劑量相較于傳統工藝大大減少，不僅節省了藥劑投加量，還避免了二次污染[10-12]。

2 電化學水處理技術的分類

根據不同的工作原理和方法，可以主要將水的電化學處理技術分為以下幾種：電凝聚、電化學氧化、電沉積、電吸附、電滲析等[13]。

2.1 電凝聚法水處理技術

電凝聚水處理技術也通常被稱為電浮法，主要去除污水中的膠體雜質，染色、鍍鋅廢水處理中采用該方法進行處理，效果較好[14-16]。其原理是將外部的電壓加在可溶性陽極上，產生陽離子，所產生的陽離子能夠與水中的膠體污染物發生反應，使得穩定狀態的膠體污染物失去其穩定性，經過凝聚之后沉降，而此時將會有一定數量的氫氣從電流的陰極被釋放出來，由于氫氣的密度比水小，因此，在上浮過程中，氫可以攜帶沉積污染物至水面。這樣，就可以將污染物和水體分開[17-18]。但這種方法所用的陰極和陽極材料將會溶解，在實際應用中，將會消耗許多的電氣和金屬材料。因此目前無法得到推廣使用[19]。

2.2 電化學氧化法處理技術

電化學氧化水處理技術主要用于有效地改變水中某些有機類污染物，使得其官能團的功能活性發生變化，從而使其化學性質也在某一定程度上改變。電化學氧化技術在其規定的條件下，某種程度上可以有效的降低待處理水中有機污染物的毒性，這也為后續處理降低了難度，從而使得某些高分子污染物更容易被生物分解[20]。廢水的電化學氧化處理可分為直接電解和間接電解[19]。直接氧化和間接氧化的分類沒有一個絕對的界線，通常在有機物在進行電化學分解的過程中，電極上會同時出現這兩種氧化過程，除此之外，實驗條件以及實驗過程中的控制參數的變化會導致分解機制發生不同程度的變化[20]。靳善明采用電催化臭氧技術處理有機廢水，將氧化得到臭氧通入電化學反應中，將還原通過產生的過氧化氫和臭氧將難處理的有機物轉化成無害的水和二氧化碳，取得較好效果[2]。

2.3 電滲析法

電滲析法相較于其他方法操作起來更加方便，這也意味著其維修工作更加簡單，壽命更長[21-22]。電滲析法是在直流電場和離子交換膜的協同作用下，使得溶液中的離子發生遷移，從而分離污水中的電解質[23]。此方法利用了膜的選擇透過性，使得陰陽離子向不同電極進行遷移，達到去除水中污染物的目的[24]。王先鋒電滲析的方法處理含鹽量較高的廢水，并且探究了影響ED膜損傷的一系列預處理方法。經過組合實驗，能夠達到較高的去除率[25]。Kuichang等將電滲析與微生物燃料電池結合，對髙濃度的有機廢水進行處理，實驗證明該工藝對有機物的去除率較高[26]。

2.4 電Fenton法

電Fenton方法的原理是，由電極產生的H2O2在電化學反應的作用下與Fe2 +反應生成自由基羥基(·OH)，它會氧化并將難降解的污染物分解成小分子，并且一旦電壓和電流得到控制，這個過程就很容易實現自動控制[27]。所通電壓大小、電流的密度、曝氣速率以及待處理水的pH值均將對電Fenton法的處理效果產生一定影響。Iglesias等利用電壓5.69 V、pH為2.24、鐵離子濃度為2.68 mmol/L的條件下，對合成染料，結果顯示其脫色率能達到90%，且COD的去除率可達到56%[27]；Shin Yong-Uk等采用密度為28.5 mA/cm2的恒定電流，對食品廢水進行處理，40 min后，廢水中10 mmol/L的苯酚被完全降解，繼續處理后，廢水的TOC降低了約75%[28]。電Fenton工藝目前還未達到普遍的大規模應用，仍處于研究實驗階段，其能耗是主要的問題，因此仍需進行進一步的研究探索[29]。

2.5 電沉積水處理技術

通常在電解液中，有許多不同的金屬離子，這可能導致電解溶液中產生電勢的差異，同時在陰極電極，這些離子可以通過自由態以及聯合狀態的形式析出，形成沉淀，通過過濾即可出去該類污染物。廢水中的金屬離子即可通過此原理在電沉積法處理水的過程中被回收，并對綠色環境提供了強有力的保護。在實際應用這一方法時，必須根據所處理污水的不同，合理設計電解槽，以提高污水的處理效果，這也是電沉積法設計的核心內容[19]。

3 電化學水處理技術在不同種類廢水中的 應用

3.1 垃圾滲濾液

根據填埋場的年份不同，可將垃圾滲濾液進行分類，主要可分為兩類——早期滲濾液、晚期滲濾液。早期瀝濾的pH一般在5～7之間，呈弱酸性，除此之外具有較高的生物降解性，同時其碳氮比、氨氮濃度、BOD5和COD值也比較高；而晚期滲濾液則與早期滲濾液相反，但其氨氮濃度較高[30]。垃圾滲濾液污染較強，處理起來比較困難。魏平方等將Ti/RuO2·IrO2作為陽極材料，不銹鋼電極作為陰極材料，利用三維電極反應器，對垃圾滲濾液進行深度處理，在電極和電解槽的空隙中，用焦粉粒子進行填充，同時在電極反應器底部用氣泵曝氣，最終結果顯示，該方法的處理結果達到標準[31]。

3.2 城鎮污水

隨著人類社會的發展，環境日益惡化，因此我國對環保問題也更加重視，新的、更加嚴格的規范也就應運而生，因此，仍舊采用舊處理工藝的某些污水處理廠就不能達到新的污水處理標準。此時就需要運用新的、處理效果更好的工藝技術——電化學水處理技術。何緒文用鋼板作為陰極，再將鈦板用作基質，在一定比例的RuO2和TiO2中增加IrO2并在鈦板表面進行涂層，用這種處理過的材料作為陽極，進行水處理實驗，經測試所得的數據顯示，該方法處理的廢水可達到排放標準[32]。

3.3 印染生產廢水

張俊等利用低電流高壓電化學處理方法，對印染廢水進行預處理，經過對實驗結果的分析可知，隨著對原水進行電化學預處理的時間的增加，COD、BOD的去除率逐漸升高，增加了廢水的可生化性，通過對經濟的考量，反應時間宜為15～20 min，在該條件下COD去除率約能達到50%～60%，其可生化性能在一定程度上也得到了提高[33]。

4 研究與展望

電化學水處理是一種很有前途的應用技術，其能有效處理難降解的有機廢水，且其在多個不同方面以及領域的發展中均發揮了很大的作用，并且具有比較重要的意義。雖然如此，但是電化學水凈化技術仍然還有很多缺陷與不足之處。目前的發展和應用并不廣泛，主要存在以下問題：

(1)在處理過程中，各電極所發生的反應原理還未研究透徹，所產生的副產物或含量較少的產物無法檢測，應加強研究電化學的機理。

(2)目前電化學反應器只適用于實驗，還無法滿足大規模水處理的需求，因此，在實際的生產應用中可能會對水處理產生影響的因素應該納入考慮范圍內，對處理工藝及反應器的加強研究，多采用電化學與其他工藝的聯用。

(3)電化學需要大量電極材料，但目前所用的電極材料價格較高，工藝經濟成本較高，應努力開發新型廉價電極，推廣電化學處理技術的應用。

(4)電化學水處理技術單獨作用時，處理效果有時無法達到預期，可以嘗試其與其他工藝的聯合工藝，增加污染物的去除率。