三維電極法處理污水的應(yīng)用
1引言
傳統(tǒng)的平板二維電極面體比較小，單位槽體處理量小，電流效率低，尤其是在電導(dǎo)率低時(shí)，在實(shí)踐中難以有突破性進(jìn)展。針對(duì)傳統(tǒng)二維電極這一缺陷，在20世紀(jì)60年代末期Backhurst提出了三維電極/三元電極的概念，在70—80年代電化學(xué)反應(yīng)器三維化開(kāi)始引人注目并首先應(yīng)用于分析領(lǐng)域，而當(dāng)時(shí)研究三相流化床、滴流床（Tricklebed）等氣—液—固系電解槽頗為活躍。到了90年代覃奇賢、熊英健等開(kāi)始探討三維電極在水處理中的應(yīng)用，到了21世紀(jì)之后申哲民、曹瑩等人開(kāi)始大范圍使用三維電極法處理污水。
在國(guó)外，用三維電極處理有機(jī)廢水的研究非常多。1991年S.Stuki等研制了復(fù)極式平板電解槽，電極基體為T(mén)i，陽(yáng)極涂覆SnO2-Sb2O5/Ti，陰極涂覆Pt，極板間距0.5cm，處理含酚廢水，當(dāng)電流密度為30mA/cm2時(shí)，時(shí)空產(chǎn)率為6.4kgCOD/（h·m3）。1996年C.L.K.Tennakoon[3]研制用于處理人尿的三維電極，粒子電極采用陶瓷表面涂覆SnO2-Sb2O5，當(dāng)電流密度為10mA/cm2時(shí)，時(shí)空產(chǎn)率達(dá)到22kgCOD/（h·m3）。日本專利[4]報(bào)道以石墨—C—金屬填充電極處理苯酚、微生物，以石墨顆粒填充陽(yáng)極處理含油廢水，ZhouDing[5]以8：1：2的活性炭—云母—二氧化硅作為填料，采用無(wú)隔膜的復(fù)極性床處理印染廢水，脫色率大于99%，BOD，COD去除率大于80%。美國(guó)專利[6]以填充床處理含細(xì)菌廢水，可以使細(xì)菌從6×106個(gè)/mL降到0，操作時(shí)的電流密度達(dá)到2A/dm2。
三維電極能夠增加電解槽的面體比，提高電流效率和處理能力，還易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作，可以在不同電流密度下進(jìn)行操作。三維電極法的另一個(gè)特點(diǎn)是不使用或較少量使用化學(xué)藥品，后處理簡(jiǎn)單，占地面積小，處理能力大，管理方便等，國(guó)外稱為清潔處理法。它能克服原來(lái)平板電極存在的缺點(diǎn)，增加單位槽體積的電極表面積，增大物質(zhì)移動(dòng)速度，因此，單位槽體積的處理量增大，能有效提高電導(dǎo)率低的處理液的電解效率。
2三維電極法在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用
國(guó)內(nèi)外對(duì)三維電極用于處理含金屬?gòu)U水的機(jī)理研究有了定論，但在處理有機(jī)廢水的機(jī)理中還有爭(zhēng)論。一般認(rèn)為電解產(chǎn)生的H2O2和·OH在降解污染物過(guò)程中發(fā)揮最主要的作用。當(dāng)陰極上通過(guò)電解產(chǎn)生或外界提供的O2時(shí)發(fā)生還原產(chǎn)生H2O2[9]，反應(yīng)過(guò)程如下:
酸性條件下：O2+2H++2e→H2O2
堿性條件下：O2+H2O+2e→HO2-+OH-
HO2-+H2O→H2O2+OH-
當(dāng)體系中存在金屬催化劑時(shí)，會(huì)產(chǎn)生·OH。Mred為還原態(tài)的金屬催化劑，Mox表示氧化態(tài)。
酸性條件下:Mred+H2O2+H+→Mox+·OH+H2O
堿性條件下:Mred+H2O2→Mox+·OH+OH-
羥基自由基·OH是高度活性的強(qiáng)氧化劑，對(duì)有機(jī)物的氧化作用具有廣譜性，可將水中的有機(jī)物分解，其對(duì)有機(jī)物的氧化作用主要包括脫氫反應(yīng)、親電子反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)和人們的生活水平都得到了極大的提高，但是隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益突出。毒性大、濃度高且難以生化降解的印染廢水、焦化廢水、EDTA廢水、苯酚廢水等有機(jī)廢水已成為當(dāng)前水處理研究的熱點(diǎn)。
印染廢水的組成非常復(fù)雜，是一種難降解的有機(jī)廢水。如何對(duì)其進(jìn)行無(wú)害化處理，一直深受研究者的關(guān)注。目前印染廢水的處理方法有：物理法、化學(xué)法、生物法及其聯(lián)用方法。物理法成本低，脫色效果較好，但后處理比較復(fù)雜，易產(chǎn)生二次污染；化學(xué)法是提高污水處理效率的有效途徑，但成本高；生物法的處理成本低，但對(duì)染色分子的降解效果差，需要用絮凝沉淀處理，污泥產(chǎn)生二次污染？梢(jiàn)，常規(guī)的廢水處理方法已經(jīng)很難使印染廢水凈化。
焦化廢水由于水量大、成分復(fù)雜屬于難降解的高濃度有機(jī)污水，現(xiàn)有各種處理工藝主要是以生物法為主而派生出來(lái)的不同處理技術(shù)的組合，但這些處理工藝在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中大部分難以達(dá)到國(guó)家所要求的排放標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)回用要求，或者由于處理成本過(guò)高，影響了正常的運(yùn)行。在前期對(duì)微電解處理垃圾滲濾液研究的基礎(chǔ)上，擬采用弱直流電三維電極工藝處理焦化廢水，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究尋找最佳的運(yùn)行參數(shù)。
近年來(lái)，深度氧化技術(shù)（Advancedoxidationprocesses）作為治理EDTA廢水的一條重要途徑，受到了人們的廣泛關(guān)注。該技術(shù)主要是通過(guò)氧化性極強(qiáng)的·OH自由基與有機(jī)物之間的加合、取代和電子轉(zhuǎn)移等使污染物礦化。
苯酚廣泛應(yīng)用于制藥及化工生產(chǎn)中，具有毒性大、難生物降解等特點(diǎn)，對(duì)人類及環(huán)境都有很大的危害。
李翠丹、謝四才、柴立元、夏怡等分別利用三維電極法對(duì)印染廢水、焦化廢水、EDTA廢水、苯酚廢水進(jìn)行處理，對(duì)廢水的進(jìn)水量，pH，水溫和三維電極的電極種類、電壓、電導(dǎo)率、電流、電解時(shí)間等方面進(jìn)行了論述，實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表1。
表1三維電極法處理有機(jī)廢水實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果
.jpg) |
由表1可知，三維電極法在一定的條件下用于處理有機(jī)廢水有很好的效果。
3與其他技術(shù)聯(lián)合使用
3.1與Fenton試劑組合
Fenton試劑是由H2O2和Fe2+組成的酸性混合物，F(xiàn)enton反應(yīng)和電解反應(yīng)生成·OH的氧化電位達(dá)2.8V，具有很強(qiáng)的氧化能力[21]。司長(zhǎng)代等利用Fenton試劑—砂濾法組合即采用活性炭三維電極法與Fenton試劑相結(jié)合處理混凝沉淀后的馬鈴薯淀粉廢水。實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表2。
.jpg) |
表2三維電極與Fenton試劑組合處理馬鈴薯廢水實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果
硝基苯（NB）是一種典型的化學(xué)氧化難、生物降解差、有毒的有機(jī)污染物，它來(lái)源于炸藥、印染、農(nóng)藥、醫(yī)藥等工業(yè)排放的廢水。這類有機(jī)污染物若直接排放入環(huán)境中，經(jīng)擴(kuò)散和遷移作用將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，對(duì)人和生物都有極強(qiáng)的毒害作用[23]。肖凱軍等[24]采用三維電極—電Fenton耦合法處理硝基苯廢水，考察了廢水中有機(jī)物降解的影響因素及廢水處理效果，并與三維電極法、普通電Fenton法去除硝基苯的效果進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步證明了三維電極—電Fenton耦合法較三維電極法、普通電Fenton法具有更好的硝基苯類物質(zhì)去除效果。實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表3。
.jpg) |
表3三維電極與Fenton試劑組合處理硝基苯廢水實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果
3.2與炭膜耦合
高含鹽染色廢水因其含鹽量高、有機(jī)物含量高、毒性大使常規(guī)處理方法（微生物法等）難以達(dá)到理想的處理效果，故被稱為難治理工業(yè)廢水。炭膜是一種新型無(wú)機(jī)功能分離膜，具有良好的截留率和選擇分離功能，除耐高溫、耐腐蝕等特點(diǎn)，其導(dǎo)電性是炭膜的一個(gè)重要特征。另外，炭膜制備原料來(lái)源廣、價(jià)格低，制作工藝簡(jiǎn)便易行，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，炭膜處理染色廢水的研究也有一些報(bào)道。趙建偉等以高含鹽、高COD染色廢水為處理對(duì)象，研究新型的炭膜與三維電極耦合技術(shù)對(duì)其降解過(guò)程。通過(guò)對(duì)比三維電極工藝，考察了炭膜與三維電極耦合技術(shù)降解高含鹽、高COD染色廢水的優(yōu)越性，并研究了反應(yīng)器參數(shù)對(duì)耦合技術(shù)處理效果的影響。實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表4。
.jpg) |
表4三維電極與炭膜耦合處理染色廢水實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果
3.3與超聲協(xié)同組合
曹志斌等研究采用自制三相三維電極反應(yīng)器，在超聲的協(xié)同作用下，對(duì)甲基橙模擬染料廢水進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)。在超聲協(xié)同三維電極作用下，推測(cè)難降解有機(jī)污染物在超聲協(xié)同三維電極氧化作用下可分為3個(gè)不可逆的過(guò)程：有機(jī)污染物被氧化為醌類物質(zhì)；醌類物質(zhì)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)生成脂肪族化合物；脂肪族化合物被礦化為CO2和H2O。實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表5。
.jpg) |
表5三維電極與超聲波協(xié)同處理甲基橙染料廢水實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果
3.4與生物膜組合
生物膜電極法是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新興技術(shù)，即采用固定化技術(shù)將微生物固定在電極表面，形成一層生物膜，然后在電極間通以一定的電流，使污染物在生物和電化學(xué)雙重作用下得到降解。在處理生物難降解或電解處理不夠徹底的廢水方面顯示了一定的優(yōu)越性。許寧等在三維電極—生物膜法研究過(guò)程中，首先研究了外加電場(chǎng)對(duì)菌XL1生長(zhǎng)及苯酚降解的影響。實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見(jiàn)表6。
.jpg) |
表6三維電極與生物膜組合處理苯酚廢水實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果
4結(jié)語(yǔ)
三維電極的研究雖然已經(jīng)開(kāi)展30多年，在基礎(chǔ)理論研究方面，其宏觀理論也達(dá)成一些共識(shí)，但在微觀即在原子、分子水平上的研究仍待深入，尤其關(guān)于電極表面實(shí)際反應(yīng)歷程、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)均缺乏深入研究。這就需要運(yùn)用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)方法和手段深入研究電極表面的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，在詳實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立各類三維電極反應(yīng)過(guò)程的理論模型。三維電極法要運(yùn)用于廢水處理的實(shí)踐之中取得廣泛應(yīng)用，仍需采取各類措施提高效率，降低處理費(fèi)用。這就需要從各方面進(jìn)行一系列的研究，設(shè)計(jì)出科學(xué)而緊湊的床體結(jié)構(gòu)，優(yōu)化各項(xiàng)操作參數(shù)，改進(jìn)填料、電源方式等。實(shí)際應(yīng)用中為了使三維電解法在廢水處理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，電解反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的研制與改進(jìn)、新型高效陽(yáng)極材料的研制以及與其他方法的聯(lián)用必將成為人們研究的熱點(diǎn)。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
