电絮凝水处理技术阳极优化的研究

Posted 2023-01-12 絮凝

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簡介了電絮凝法處理廢水的基本原理，重點探討了目前電絮凝水處理技術中存在的陽极鈍化問題，以及影響陽极鈍化的主要因素，并提出了解決陽极鈍化的方法和建議。在實際處理工藝中，可以從采用新型電极、磁場效應以及改進電源技術等方面著手，對工作陽极做進一步优化，降低電能消耗和材料消耗，以促進電絮凝水處理技術的推廣應用。
關鍵詞：電絮凝﹔水處理﹔鈍化﹔陽极优化
淡水資源短缺、水源污染加劇是世界五大環境問題之一。水源淨化和廢水治理一直是各國關注和研究的重要課題。以電化學為基礎，不需添加化學藥劑的先進水處理技術倍受人們的關注，這些技術包括﹕電絮凝、電气浮、電解析等。其中，電絮凝技術的應用已有較長歷史，在多种行業的廢水處理中有著廣泛的應用。但此項技術存在著電耗大、電极消耗快、陽极易鈍化、成本較高等不足。其中陽极的鈍化問題一直沒有得到很好的解決，這在一定程度上阻礙了電絮凝水處理技術的推廣應用。筆者在電化學理論的基礎上對陽极的鈍化問題進行了研究，并在實際處理工藝中對陽极的优化做了探討。
1電絮凝工藝原理
在電解過程中，正電荷側進行陽极反應，負電荷側進行陰极反應。活性金屬板，如鐵或鋁通常用作犧牲陽极。工作時，陽极發生電化學腐蝕，持續釋放出金屬离子進入水中成為絮凝中心。釋放的金屬离子通過中和微粒的電荷、電化學反應、電化學沉淀、吸附等多种复合作用去除污染物。此外，膠狀微粒、油或其他污染物在通過整個電場時，可能存在電离、電解、水解和生成自由基的反應，改變水和污染物的物理化學特性，結果導致污染物的溶解能力被降低或被破坏。
2電絮凝技術中存在的陽极鈍化問題
2﹒1鈍化現象
在金屬陽极溶解過程中，開始當陽极极化不大時，金屬的溶解速度隨電极電位的變正而增加。當陽极极化繼續增大，電极電位達某一數值時，隨著電极電位繼續變正，金屬溶解速度不但不增大，反而突然下降，這就是陽极的鈍化現象。
研究表明，陽极發生鈍化時，金屬基体的性質并沒改變，只是金屬表面在溶液中的穩定性發生了變化。在金屬的陽极溶解過程中，陽极极化使金屬電极電位正移，氧化反應速度增大，電极表面附近溶液中金屬离子濃度升高。這些變化有助于溶液中某些組分与電极表面的金屬离子或金屬活性溶解產物(金屬离子)反應生成金屬的氧化物或鹽類，形成緊密覆蓋于金屬表面的膜層，這層鈍化膜隔絕了基体与工作環境的接触，阻止陽极繼續溶解釋放离子，且這層膜電阻很大，可嚴重降低水中電流強度和電場強度。
2﹒2影響陽极鈍化的因素
2﹒2﹒1陽极電流密度的影響
金屬陽极發生鈍化，有一臨界鈍化電流密度值i临钝若陽极電流密度i<i临钝，則金屬可以長時間地臨鈍溶解而不發生鈍化。i>i临钝時，提高陽极電流密度將臨鈍顯著地加速金屬的鈍化進程。如果i遠大于i臨鈍，鈍化很容易且很快發生，建立鈍態需要的時間很短。所以，陽极電流密度越大，越容易建立鈍態。但當陽极電流密度太大時，不鈍化。
2﹒2﹒2攪拌的影響
在電流密度相同的條件下，一般來講隨著攪拌的加強陽极鈍化發生時間延遲。若電流密度不大，強烈攪拌可防止鈍化現象的出現，但當電流密度大時，陽极鈍化發生時間很短，這時攪拌作用的影響不明顯。攪拌的影響表明，鈍化現象与電极表面液層中的濃差极化現象有關。攪拌加速了擴散作用，使電极表面附近溶液層中的濃度變化減弱了，因此攪拌能在某种程度上延緩陽极的鈍化。
2﹒2﹒3溫度的影響
降低溫度鈍化現象容易出現。
2﹒2﹒4溶液組成的影響
溶液的pH、中性鹽的濃度、陰离子的种類及濃度等對鈍態的建立過程有著重要的影響。如在稀溶液和中性溶液中，金屬一般比較容易鈍化，而鹵素离子的存在能明顯延緩或完全防止鈍態的出現。
2﹒3鈍化問題的解決
2﹒3﹒1陽极自身优化———合金化
研究及實踐証明，引入极少量的合金元素(如鋅、銦、錫、鎵等)的鋁合金，其電化學性能得到顯著的改善，合金化不僅可以阻止鋁表面形成連續致密的氧化膜，促進表面活化溶解，而且可以使其氧化膜在電解液中順利地溶解。所以鋁合金在化學電源和陰极保護方面得到越來越廣泛的應用〔3〕。為此，解決鈍化問題可從材料本身出發，研究出可應用在電絮凝水處理技術中的不鈍化鋁合金陽极或其他合金材料陽极。
2﹒3﹒2借助超聲波的“超聲空化"作用
超聲波由一系列疏密相間的縱波构成，并通過液体介質傳播，當超聲波能量足夠高時就會產生“超聲空化"作用，空化气泡在形成与湮滅的瞬間會產生局部的高溫高壓。超聲波在電化學系統中通過超聲能量對電极界面的扰動使電极表面得到清洁，并且使電极附近雙電層內的金屬离子得到更新，從而達到解決鈍化問題的目的。
2﹒3﹒3高頻脈沖及高頻換相脈沖
鈍化是犧牲陽极表面的金屬原子和水中物質在電流作用下反應生成不溶性物質造成的。高頻脈沖使犧牲陽极通電時斷時續，且每次通電時間极短，鈍化反應來不及發生﹔若再換相，反相時犧牲陽极會得到淨化，從而抑制鈍化的發生。
3實際處理工藝中陽极优化及展望
電絮凝水處理過程中，在不降低處理效果的同時，對陽极做進一步的优化，有助于降低電能消耗及材料消耗。目前主要的發展方向是采用新型電极材料和結构、磁場效應以及改進電源技術，可以從以下几個方面著手。
3﹒1复合陽极的應用
賈金平等對用活性炭纖維与鐵的复合陽极降解各种染料的工藝進行了研究，發現該法處理效果明顯好于單一鐵陽极、活性炭纖維陽极。采用該方法處理上海某厂扎染殘液水樣，在電壓15V、pH6﹒0、電解60min的條件下，CODCr去除率為40%-80%。活性炭纖維對有机物具有較高的吸附性能，充分利用其導電、吸附、催化性能，并与電絮凝技術有效地結合用于處理各類難降解生物的有机廢水，將有很好的發展前景。
3﹒2新型陽极結构的應用
在電极結构方面，除傳統的平板電极外，還可采用旋轉圓盤、圓柱和圓環等形狀的電极來提高傳質速率和增大電流密度，進而提高處理效率和降低能耗。將流体的傳質与電絮凝气浮結合起來构成導流電絮凝气浮法。電解槽的陽极、陰极既起電极作用，又起導流桶作用，在較低攪拌速度下，可使槽內液体充分湍動。該方法在縮短電解脫色時間的同時，還減少了陽极的极化作用，從而降低了能耗。用導流電絮凝气浮法處理印染廢水，脫色率達到97%，而且總費用遠低于普通投藥混凝法和普通電解法。
何曉利對管式電絮凝器處理印染廢水的特性進行了研究，鐵陽极管式電絮凝器的陰极和陽极分別由內徑36mm鋼管和16mm黑鐵管組成，管壁厚均為3mm，陽极管置于陰极管內。其電极間距小(約7mm)、槽電壓低、電耗少、效率高。在電流密度為20﹒6A/m2時，電解8min，含COD500mg/L的聚乙烯醇(PVA)廢水可達排放標准。在電流密度為56﹒1A/m2時，電解35min，可使COD去除率達94%。
3﹒3与其他技術聯用
三維電极的面体比大大地增加，并且粒子間距小，物質傳質效果极大改善，因而具有較高的電流效率和單位時空效率。郭玉鳳〔10〕采用三維電极處理有机廢水時使用的是不溶性陽极。若采用可溶性陽极，把三維電极的吸附及催化氧化作用和電絮凝作用結合起來，可极大強化處理效果。
Fenton法主要以Fe2+和H2O2為介質，通過Fen-ton反應產生HO&#8231；，使污染物得到氧化降解〔11〕。該反應的副產物Fe3+具有絮凝功能。鐵陽极電絮凝時可為Fenton法提供Fe2+。所以，Fenton法和電絮凝聯用具有一定的研究意義。蔣雄等〔12〕利用鐵陽极電解產生Fe2+和氧在石墨陰极上還原生成H2O2的原理，電生成HO&#8231；氧化劑獲得成功。
3﹒4借助磁場效應
有關磁場對金屬在水溶液中的陽极溶解過程的影響已有一些報道，平行于電极表面的外加磁場可使金屬的活化/鈍化轉變電位向正向移動，若在電絮凝技術中引入磁場效應，相信會對解決陽极的鈍化問題有极大的幫助。在金屬/水溶液体系中，磁場的作用分為三類﹕
(1)磁場作用較小時，磁場作用可看作是對自由對流擴散的扰動。
(2)磁場足以影響對流擴散層的結构時，屬于混合的自由/強制擴散模型。
(3)磁場作用占絕對优勢時，磁流体動力學(MHD)作用引起的強制對流明顯超過自由對流，此時自由對流作用可視為扰動。若在平行于電极表面的方向外加合适強度的磁場，磁場將与電极/溶液界面反應活性物質的速度場之間相互作用，使界面傳質加速，這樣就降低了濃差极化，對陽极鈍化膜的形成起到抑制作用﹔另一方面還會使界面擴散層厚度減小，將會導致陽极電流密度增大，加速電极的溶解，從而獲得与采用攪拌、旋轉圓盤電极以及變化介質流速等方法一樣的效果，大大提高電絮凝的處理效率。
3﹒5電源技術的改進
新發展的電源技術主要是脈沖電源。由于施加脈沖信號，電极上的反應時斷時續，有利于擴散，降低濃差极化，從而降低能耗。采用高壓脈沖電解法處理印染廢水，色度去除率>90%，CODCr去除率>70%，耗電0﹒6-0﹒8kW&#8231；h/t，耗鐵25-50g/t，与常規電絮凝電气浮相比，電耗、鐵耗均可降低50%左右〔14〕。此外，若在极板上施以周期換向的脈沖信號，同一极板通電時斷時續、時正時負，不但具有單极脈沖的优點，而且能保証金屬离子釋放的連續性，增強金屬离子与膠体間的絮凝作用，既保障處理效果，又降低了電耗。在實際處理過程中，脈沖電源的頻率、周期、峰值電流等參數的選擇与廢水水質有關，應通過試驗确定最优值。
4結語
電絮凝是一項很有發展前途的廢水處理与淨化技術，在電絮凝處理過程中產生的陽极鈍化問題基本上可以通過采用新型陽极材料以及采用超聲波、高壓脈沖等技術來解決。在實際廢水處理工藝中，如何對陽极作進一步的优化來解決能耗、陽极的鈍化以及電极材料的消耗問題還需深入研究，以促進電絮凝水處理技術的推廣和普遍應用。
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