電化學(xué)方法-環(huán)保剖析

1、沈陽理工大學(xué)研究生課程考試卷評(píng) 分課程名稱：應(yīng)用電化學(xué)年 級(jí)：2014專業(yè)：化學(xué)工程考號(hào)：1482060260學(xué)號(hào)：1482060260姓名：楊坤坤閱 卷 人：評(píng)語:評(píng)閱人：年 月廢水處理的電化學(xué)方法一電化學(xué)方法介紹有機(jī)廢水的處理的電化學(xué)方法有電氧化法、 電還原法、電凝聚法、電滲析法、 電氣浮法、磁電解法、微電解法等。和其他廢水處理方法比較，電化學(xué)方法具有適應(yīng)面廣、可控性強(qiáng)、流程簡(jiǎn)短、 操作方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有能耗大、成本高、有機(jī)物分解不徹底等缺點(diǎn)。相對(duì) 于廢水處理而言，電化學(xué)轉(zhuǎn)化可以把有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒物質(zhì)， 或把非生物相容 的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物相容的物質(zhì)（如芳香物開環(huán)氧化為脂肪酸），以便進(jìn)

2、一步實(shí)施 生物處理。電化學(xué)處理工業(yè)廢水主要是通過電解作用來完成的。電解質(zhì)溶液在直流電的作用下使得廢水中有害物質(zhì)在陽極和陰極上進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，沉淀在電極表面或沉淀在電解槽中，或生成氣體從水中逸出，從而降低廢水中有害物質(zhì)的濃度或 把有毒物質(zhì)變成無毒、低毒物質(zhì)。電化學(xué)氧化法是指利用具有催化活性的電極氧化去除水中污染物的方法，陽極可以通過氧化反應(yīng)過程使污染物質(zhì)氧化破壞，也可通過某些陽極反應(yīng)產(chǎn)物（cl2、clo-、。2、h2o2）間接破壞污染物質(zhì)。電化學(xué)氧化的方法來處理含有機(jī) 物的工業(yè)廢水，就是在一定的電能條件下，讓有機(jī)物進(jìn)行緩慢燃燒，極緩慢氧化， 使之最終生成co2和h2o。被氧化物質(zhì)和電極基體直接

3、進(jìn)行電子傳遞的氧化方法稱為直接氧化法。根據(jù)被氧化物質(zhì)氧化程度的不同，直接氧化法又分為2類:一是電化學(xué)轉(zhuǎn)換，即被氧化物質(zhì)未發(fā)生完全氧化。二是電化學(xué)燃燒，即被氧化物質(zhì)徹底氧化為穩(wěn)定的無機(jī) 物。電極表面的性質(zhì)決定了被氧化物質(zhì)的氧化程度。電極催化特性、電極結(jié)構(gòu)與 電化學(xué)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特性等操作條件是影響電化學(xué)氧化效率的重要因素。電極材料的性質(zhì)是決定電極催化特性的關(guān)鍵因素。常見的用于廢水處理的電極材料有金 屬、碳素體、金屬氧化物等。通過變換電極基體材料或用有電催化性能的涂層對(duì) 電極表面進(jìn)行修飾改性可以改變電極材料的性質(zhì)。金屬電極在廢水處理易發(fā)生鈍化，電極的活性降低。因此常用貴金屬作為陽 極處理污水。碳素體種

4、類很多，常用的有石墨電極和活性炭電極。 金屬氧化物電 極大多為半導(dǎo)體材料，鈦基涂層電極是金屬氧化物電極的主要形式。為改善或加強(qiáng)傳質(zhì)，提高電極比表面積可以改變電極結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器幾何形 狀。在電化學(xué)氧化過程中，常出現(xiàn)被氧化物在電極表面上形成聚合物膜的現(xiàn)象， 使傳質(zhì)受到影響。為了提高電極比表面積，可以把電極做成多孔狀、網(wǎng)狀、球狀、 環(huán)狀等多種形狀。電流密度是影響電化學(xué)反應(yīng)速度的主要因素，但電流密度不能無限增大，當(dāng) 超過某一值后，過量的電子不經(jīng)過電極反應(yīng)，直接流進(jìn)溶液，使電流效率下降。利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化劑 m氧化被氧化物質(zhì)的方法稱為間接電化學(xué)氧 化法。這時(shí)氧化劑m是被氧化物質(zhì)與電極交換電子的中介體

5、。常見的氧化劑是 電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的短壽命中間物， 如溶劑化電子，oh, o2 和ho2 等。 comninellis1利用陽極上產(chǎn)生的含氧自由基成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)含酚廢水的處理。電極 反應(yīng)產(chǎn)生的其他形態(tài)的氧化劑主要是金屬及其氧化物，如mno2, cuo, nio,ag(i/h)等。當(dāng)金屬氧化物作氧化劑時(shí)，有機(jī)物氧化的電位區(qū)由這些金屬氧化 物的氧化還原電位所決定。為了得到高的電流效率，問接氧化法必須滿足以下要 求:m的生成電位必須不靠近析氫或析氧反應(yīng)的電位：乂的產(chǎn)生速度足夠大； m與污染物的反應(yīng)速度比其他競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)速度大得多，在某些情況下m是催化劑，可以循環(huán)使用。二電化學(xué)在污水處理上的應(yīng)用2.1

6、油田廢水處理由于石油勘探開發(fā)活動(dòng)增多，所產(chǎn)生的污染物也隨之增加，對(duì)環(huán)境造成的污 染日趨嚴(yán)重。油田廢水成分復(fù)雜，除了含有可溶性鹽類和重金屬、 懸浮的乳化的 原油、固體顆粒、硫化氫等天然的雜質(zhì)外，還含有一些用來改變采出水性質(zhì)的化 學(xué)添加劑，以及注入地層的酸類，除氧劑、潤(rùn)滑劑、殺菌劑、防垢劑等。電氣浮 法是一種利用電化學(xué)方法去除水中的懸浮物、油、類、有機(jī)物等有害雜質(zhì)的廢水處理單元操作，它是將正負(fù)相同的多組電極安插于廢水中， 當(dāng)通以直流電時(shí)，產(chǎn) 生電解顆粒極化、電泳、氧化、還原、電解產(chǎn)物間及廢水間的相互作用等，按陽極材料是否溶解可將電氣浮法分為電凝聚氣浮和電解氣浮。當(dāng)采用可溶性材料如鐵、等作陽極時(shí)，稱

7、為電凝聚氣浮。當(dāng)用不溶性或惰性材料如石墨、鋁、二氧化 釘?shù)茸麝枠O時(shí)，則稱為電解氣浮。采用電氣浮法，處理效果好、建設(shè)周期短、但 電耗大。江漢石油學(xué)院的王蓉沙使用電凝聚氣浮對(duì)某油田的鉆井污水進(jìn)行了試驗(yàn)研 究試驗(yàn)表明利用鐵作為陽極的電凝聚氣浮對(duì)鉆井污水中的cod去除效果較為理想，能把進(jìn)水cod155.7mg/l去除到11.5mg/l,去除率高達(dá)97.5%,試驗(yàn)中電耗 為1.2元/m3污水，但并未指明鐵的消耗量。另外哈爾濱建筑工程學(xué)院的韓洪軍 利用電解氣浮對(duì)油田廢水中的處理進(jìn)行了研究，結(jié)論是電解氣浮可有效地去除油田廢水中的油和cod去除率為80%-90%3。2.2 苯酚廢水處理苯酚廣泛應(yīng)用于制藥及化工

8、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。含酚廢水是一種具有高生物毒性的難降解有機(jī)廢水， 主要來源于焦化、石油煉制、合成樹脂等領(lǐng)域，它具有污染面廣、排放量大、 危害嚴(yán)重等特點(diǎn)；酚類化合物不僅會(huì)妨礙水生生物繁殖，危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)， 還會(huì)影響飲用水安全。夏怡等4采用三維電極氧化降解苯酚廢水，通過試驗(yàn)研究分析三維電極對(duì)苯酚廢水的氧化降解效果。以及不同因素對(duì)其氧化降解效果的影響，為該法的推廣應(yīng)用提供試驗(yàn) 依據(jù)。采用自制反應(yīng)器氧化降解苯酚廢水。通過試驗(yàn)分析反應(yīng) 時(shí)間、ph、電解電壓、fe2+投加量對(duì)三維電極氧化降解苯酚廢水中苯酚去除效果 的影響，并確定最佳反應(yīng)條，反應(yīng)時(shí)間為 90 m

9、in, ph=3,電解電壓15 v, fe2+ 投加濃度為l mmol/l ,對(duì)苯酚質(zhì)量濃度為300 mg/l的模擬廢水的最大苯酚去除 率達(dá)到91. 2%。三維電極氧化降解有機(jī)物的試驗(yàn)原理是電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)。 實(shí)驗(yàn)中外加亞鐵離子，溶液中同時(shí)有 fenton試劑反應(yīng)發(fā)生。有機(jī)物的降解途徑 主要有以下幾方面：（1）電解過程中陽極電解生成氧化性極強(qiáng)的 oh,直接氧化 降解有機(jī)物。（2）在陰極通入的氧氣，與陽極產(chǎn)生的氧氣一同參與h2o:生成反應(yīng)，h2o2迅速與溶液中的fe2+發(fā)生fenton反應(yīng)生成 oh ,進(jìn)一步氧化降解有機(jī) 物。（3）粒子電極因靜電感應(yīng)帶電。粒子兩端發(fā)生電化學(xué)氧化和還原反應(yīng)產(chǎn)生

10、 oh,氧化降解有機(jī)物，縮短傳質(zhì)距離，提高了電流效率。具體反應(yīng)如下：陽極：h2o oh h e-4oh- 2h2o o2 4e-4陰極：02 2h 2e- h2o2fe3 e- fe2溶液中：fe2 h2o2 fe3 oh oh-2.3 電化學(xué)-活性污泥耦合技術(shù)電化學(xué)-活性污泥耦合技術(shù)具有效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、運(yùn)行費(fèi)用低廉、中間產(chǎn)物凈化徹底等優(yōu)點(diǎn)， 在難降解工業(yè)廢水的處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 這種方法并不是將電化學(xué)法與生物法機(jī)械地串聯(lián)起來，而是強(qiáng)調(diào)利用電場(chǎng)產(chǎn)生的 活性物質(zhì)促進(jìn)微生 物的生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)對(duì)有機(jī)污染物的降解能力，并利用電化 學(xué)與生物的協(xié)同作用將廢水中的污染物徹底去除。電化學(xué)-生

11、物耦合法大大提高了電流效率，增強(qiáng)了對(duì)難降解有機(jī)物的處理效果， 降低了運(yùn)行成本，獲得新的價(jià) 值和效益。電化學(xué)-生物耦合技術(shù)在廢水處理中的作用機(jī)制大致可從電場(chǎng)對(duì)微生物的刺 激作用、微生物對(duì)電場(chǎng)的影響及電場(chǎng)和微生物對(duì)污染物的作用三個(gè)方面考慮5。電場(chǎng)能夠刺激微生物的生長(zhǎng)和代謝。電場(chǎng)的強(qiáng)弱是影響電場(chǎng)對(duì)微生物作用的主要 因素。適當(dāng)強(qiáng)度的電場(chǎng)能夠提高微生物的生長(zhǎng)與代謝能力，對(duì)微生物生長(zhǎng)有益。電場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超出微生物的耐受范圍時(shí)，細(xì)胞 將失去活性。因此，可以利用強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)食品進(jìn)行滅菌。另外，電解水會(huì)導(dǎo)致陽極 產(chǎn)生氧氣，以好氧環(huán)境為主，陰極產(chǎn)生氫氣，以缺氧環(huán)境為主，這樣能夠大大提 高某

12、些微生物的活性，提高其反硝化作用。電場(chǎng)的存在對(duì)生物酶的活性及產(chǎn)量有 一定的影響，同時(shí)電場(chǎng)也能夠降解體系中的污染物，因此電化學(xué)-生物耦合技術(shù)對(duì)污染物的作用主要表現(xiàn)在兩方面： 其一是提高污染物的去除率。夠結(jié)合電場(chǎng)與 微生物的各自優(yōu)勢(shì)來提高對(duì)污染物的降解效果。 其二是改變污染物的降解或轉(zhuǎn)化 途徑。電化學(xué)與生物方法相結(jié)合很可能會(huì)改變有機(jī)污染物的降解途徑。2.4 丙烯月青廢水丙烯月青是一種無色、苦杏仁味的高毒類有機(jī)氟，也是常見的職業(yè)環(huán)境污染物。其作為一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于制造月青綸纖維，丁月青橡膠，abs工業(yè)塑料和合成樹脂等領(lǐng)域。在我國(guó)確定的 52種優(yōu)先控制的有毒化學(xué)品名單中排名 第四，具有高毒

13、性及潛在的遺傳毒性，是環(huán)境中重要的有害污染物之一，不僅破 壞水體生態(tài)系統(tǒng)，還危害人類的生命健康。目前，處理高濃度丙烯月青廢水的方法 主要有焚燒法、濕式氧化法和生物法，但均有局限性。褚兆晶等6以丙烯月青廢水為研究對(duì)象，進(jìn)行廢水預(yù)處理對(duì)提高廢水的可生化性和后續(xù)好氧生物處理效率的 研究。實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)氧化法對(duì)難降解丙烯月青廢水處理效果進(jìn)行了單因子試驗(yàn)， 分析了電壓、電解時(shí)間、氯離子質(zhì)量濃度對(duì)廢水色度及codcr的去除效果，以及對(duì)廢水可生化性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，電化學(xué)氧化法在電壓5 v, ph為3.00, 反應(yīng)時(shí)間6 h,攪拌速率為250 r min-1,氯離子質(zhì)量濃度為5000 mg l-1的條件

14、下， 對(duì)codcr 1156 mg l-1,色度512倍的丙烯月青廢水中codcr去除率達(dá)到60%, 色度的去除率達(dá)到90%,并使廢水的可生化性明顯提高。codcr去除率和色度去 除率隨電解時(shí)間、電壓增加而增大，電解時(shí)間達(dá)5 h、電壓大于5 v以后使水電解副反應(yīng)更容易發(fā)生，對(duì)有機(jī)物的降解速率減小，同時(shí)隨電解時(shí)間延長(zhǎng)，能耗逐 漸增大，處理成本增大；氯離子質(zhì)量濃度對(duì)電解效果影響較大， 適量增大氯離子 質(zhì)量濃度，可以提高codcr的去除率。6參考文獻(xiàn)1王翠，電化學(xué)氧化法在廢水處理中的應(yīng)用j.河北工業(yè)科技，2004, 21(1):49-52.2 proceedings of the sixth international forum on electrolysis.environmental applications of electrochemical technologym.new york:electroch