電化學(xué)水處理技術(shù)_大學(xué)_講義_課件_ppt

1、電化學(xué)水處理技術(shù)緒論n電化學(xué)是研究化學(xué)能和電能之間相互轉(zhuǎn)化的一門學(xué)科，是物理化學(xué)的一個(gè)重要分支n電化學(xué)工程是國民經(jīng)濟(jì)種一大支柱行業(yè)（氯堿、電鍍）n電化學(xué)與環(huán)境科學(xué)相結(jié)合，形成了環(huán)境電化學(xué)或環(huán)境電化學(xué)工程的研究領(lǐng)域n在環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境污染物治理、清潔生產(chǎn)、清潔能源等方面的應(yīng)用研究快速發(fā)展n作為難降解有機(jī)物處理方面的高級氧化技術(shù)近年來成為研究熱點(diǎn)發(fā)展歷史n1799年Valta的Cu-Zn原電池是世界上第一個(gè)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電源n1833年建立電流和化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的法拉第定律n19世紀(jì)70年代Helmholtz提出雙電層概念n1887年Arrhenius提出電離學(xué)說n1889年Nernst提出電

2、極電位與電極反應(yīng)組分濃度關(guān)系的能斯特方程n1905年提出Tafel 公式，揭示電流密度和氫過電位之間的關(guān)系n20世紀(jì)50年代Bochris等發(fā)展的電極過程動(dòng)力學(xué)n近幾十年半導(dǎo)體電極過程特性研究和量子理論解釋溶液界面電子轉(zhuǎn)移等研究u研究對象u電化學(xué)用途u兩類導(dǎo)體u正極、負(fù)極u陰極、陽極u原電池u電解池u電流效率u定律的文字表示u法拉第常數(shù)u定律的數(shù)學(xué)式u粒子的基本單元u例題7.1 電化學(xué)的基本概念和環(huán)境電化學(xué)的基本概念和環(huán)境 1、電化學(xué)研究對象、電化學(xué)研究對象 電化學(xué)主要是研究電能和化學(xué)能之間的相互轉(zhuǎn)化及轉(zhuǎn)化過程中有關(guān)規(guī)律的科學(xué)。電能化學(xué)能2、電化學(xué)的用途、電化學(xué)的用途電解 精煉和冶煉有色金屬和

3、稀有金屬； 電解法制備化工原料； 電鍍法保護(hù)和美化金屬； 還有氧化著色等。電池 汽車、宇宙飛船、照明、通訊、 生化和醫(yī)學(xué)等方面都要用不同類 型的化學(xué)電源。電分析 生物電化學(xué)3、兩類導(dǎo)體、兩類導(dǎo)體A.自由電子作定向移動(dòng)而導(dǎo)電B.導(dǎo)電過程中導(dǎo)體本身不發(fā)生變化C.溫度升高，電阻也升高D.導(dǎo)電總量全部由電子承擔(dān)又稱電子導(dǎo)體，如金屬、石墨等。1. 第一類導(dǎo)體兩類導(dǎo)體兩類導(dǎo)體A.正、負(fù)離子作反向移動(dòng)而導(dǎo)電B.導(dǎo)電過程中有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生C.溫度升高，電阻下降D.導(dǎo)電總量分別由正、負(fù)離子分擔(dān)又稱離子導(dǎo)體，如電解質(zhì)溶液、熔融電解質(zhì)等。*固體電解質(zhì)，如 等，也屬于離子導(dǎo)體，但它導(dǎo)電的機(jī)理比較復(fù)雜，導(dǎo)電能力不高，本章

4、以討論電解質(zhì)水溶液為主。2AgBrPbI、4、電極、電極電勢低的極稱為負(fù)極，電子從負(fù)極流向正極。在原電池中負(fù)極是陽極；在電解池中負(fù)極是陰極。電勢高的極稱為正極，電流從正極流向負(fù)極。在原電池中正極是陰極；在電解池中正極是陽極。（一）正極、負(fù)極（二）陰極、陽極：按照電荷的流動(dòng)方向分電極電極發(fā)生還原作用的極稱為陰極，在原電池中，陰極是正極；在電解池中，陰極是負(fù)極。發(fā)生氧化作用的極稱為陽極，在原電池中，陽極是負(fù)極；在電解池中，陽極是正極。（二）按照電化學(xué)體系中的作用分電極電極n工作電極(working electrode）n輔助電極（counter electrode)n參比電極（reference

5、electrode)工作電極 研究的電極反應(yīng)在該電極上發(fā)生 工作電極的基本要求：n電極與溶劑和電解質(zhì)組分不發(fā)生化學(xué)或物理反應(yīng)n研究的電化學(xué)反應(yīng)不受電極變化的影響n電極表面均勻、平滑、容易進(jìn)行表面凈化n電極面積不宜太大 電極種類 石墨、玻碳、鉑、鎳、鉛基合金、鈦基涂層（RuO2、IrO2)電極電極電極輔助電極n與工作電極組成回路，使工作電極電流通暢，保證電極反應(yīng)進(jìn)行n輔助電極基本要求： 不影響工作電極上的電極反應(yīng)； 要求有較大的表面積，使工作電極上具有較大的電流密度； 輔助電極本身電阻小電極電極參比電極n已知電極電位、接近理論不極化的電極，用于測定工作電極的電極電位n參比電極的基本要求： 可逆電

6、極，電極電位符合能斯特方程； 具有較大的交換電流密度； 電極電位穩(wěn)定、重現(xiàn)； 甘汞電極、標(biāo)準(zhǔn)氫電極等電極電極5、離子遷移方向、離子遷移方向離子遷移方向：Anion Anode陰離子遷向陽極Cation Cathode陽離子遷向陰極6、原電池、原電池 與電解池與電解池Cu2+2e- Cu(S)發(fā)生還原作用，是陰極。電流由Cu極流向Zn極，Cu極電勢高，是正極。Zn(S)Zn2+2e-發(fā)生氧化作用，是陽極。電子由Zn極流向Cu極，Zn極電勢低，是負(fù)極。原電池(galvanic cell)原電池與電解池原電池與電解池與外電源正極相接，是正極。發(fā)生氧化反應(yīng)，是陽極。Cu(S) Cu2+2e-與外電源負(fù)

7、極相接，是負(fù)極。發(fā)生還原反應(yīng)，是陰極。Cu2+2e-Cu(S)電解池(electrolytic cell)1、與環(huán)境問題相關(guān)的電化學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域 應(yīng)用領(lǐng)域 內(nèi) 容電合成無機(jī)和有機(jī)化學(xué)品、金屬和合金、半導(dǎo)體、導(dǎo)電聚合物、復(fù)合物二次能源燃料電池、氧化還原電池、太陽能電池環(huán)境監(jiān)測和傳感器離子選擇電極、電化學(xué)在線分析、電化學(xué)傳感器、生物電化學(xué)傳感器污染物的電化學(xué)處理重金屬、無機(jī)和有機(jī)污染物的電化學(xué)氧化還原、水體凈化、電凝聚腐蝕防護(hù)腐蝕檢測、陰極保護(hù)、陽極保護(hù)2、電化學(xué)技術(shù)和環(huán)境保護(hù) 1、 環(huán)境兼容性高電化學(xué)技術(shù)中使用清潔、有效的電子作為強(qiáng)氧化還原試劑, 是一種基本對環(huán)境無污染的“綠色”生產(chǎn)技術(shù)。 2、多功

8、能性電化學(xué)過程具有直接或間接氧化與還原、相分離、濃縮與稀釋、生物殺傷等功能，能處理到1 10-6L的氣、液體和固體污染物。3、能量高利用率與其他一些過程相比, 電化學(xué)過程可在較低溫度下進(jìn)行。它不受卡諾循環(huán)的限制，能量利用率高。通過控制電位、合理設(shè)計(jì)電極與電解池，減小能量損失。4、經(jīng)濟(jì)實(shí)用設(shè)備、操作簡單, 費(fèi)用低。 3、電化學(xué)帶來的環(huán)境污染問題n氯堿工業(yè)用汞為陰極造成的水體汞污染n電池的廢棄，造成鉛、鎘等重金屬對地下水污染4、電化學(xué)水處理技術(shù)n電化學(xué)還原n電化學(xué)氧化n電吸附n電凝聚n電滲析利用不銹鋼陰極或Ti基鍍Pt電極的授予電子能力，相當(dāng)于還原劑使用Cr6、Hg2等重金屬離子直接得到電子還原沉

9、積出來。 電化學(xué)還原法：電化學(xué)還原（陰極過程）n溶解性金屬離子的回收和重金屬污染物的去除 金屬離子的電沉積 高氧化態(tài)離子還原為低氧化態(tài)（六價(jià)鉻變?yōu)槿齼r(jià)鉻） n含氯有機(jī)物還原脫氯，轉(zhuǎn)化為低毒或無毒物質(zhì)，提高生物可降解性 R-Cl +H +e R-H + Cl n直接氧化 使有機(jī)物或還原性無機(jī)物氧化為無害物質(zhì)，對于難降解有毒有機(jī)物轉(zhuǎn)化有意義n間接氧化 陽極反應(yīng)產(chǎn)生有強(qiáng)氧化作用的中間產(chǎn)物，使污染物被氧化為無害物質(zhì)利用不溶性陽極的直接電解氧化作用，或陽極反應(yīng)產(chǎn)物（Cl2、ClO、O2）間接的氧化作用，降解消除水中的氰、酚以及COD、S2等污染物。電化學(xué)氧化：電化學(xué)氧化（陽極過程）電吸附n采用大比表面積

10、的吸附性電極n分離水中低濃度的有機(jī)物 如將-萘酚吸附到玻璃纖維球填充床電極上電凝聚和電浮選 以Al、Fe等金屬為陽極，電生成可溶性Al(OH)63或FeOOH等多核羥基配合物或氫氧化物，作為混凝劑凝聚廢水中的膠體懸浮物沉積后去除。 電解凝聚電氣浮 通過電解水產(chǎn)生的氫、氧氣體，攜帶廢水中的膠體微粒，共同上浮，從而達(dá)到分離、凈化的目的。電凝聚和電浮選n從水相中分離懸浮物、膠體顆粒、油狀物等 化學(xué)法：加入浮選劑或絮凝劑 氣體浮選：通高壓氣體，顆粒物上浮 電化學(xué)方法： 電化學(xué)產(chǎn)生氣泡，達(dá)到浮選目的 電化學(xué)產(chǎn)生絮凝劑（氫氧化鐵、氫氧化鋁等）電滲析n在外加直流電場的作用下，利用陰陽離子交換膜對水中離子選擇

11、透過性，陽離子透過陽膜遷移到陰極液中，陰離子透過陰膜遷移到陽極液中，從而達(dá)到濃縮、純化和分離的目的。 n在電場作用下，離子選擇性通過膜，從一個(gè)溶液進(jìn)入另一種溶液，實(shí)現(xiàn)離子化污染物的分離、濃縮。有機(jī)廢水的電化學(xué)處理n有機(jī)物電化學(xué)氧化的優(yōu)點(diǎn) 常溫常壓條件 不（少）引入其它化學(xué)物質(zhì)n有機(jī)物電化學(xué)氧化的類型 有機(jī)物完全氧化分解為二氧化碳和水（電化學(xué)燃燒）需要大量電子、能耗高 將難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為可生物降解物質(zhì)，然后用生化法處理（電化學(xué)轉(zhuǎn)化） 有機(jī)廢水的電化學(xué)處理n有機(jī)物電化學(xué)氧化的原理n有機(jī)物電化學(xué)氧化的應(yīng)用有機(jī)物電化學(xué)氧化的原理應(yīng)用研究舉例n苯酚在優(yōu)化的pH、溫度和電流強(qiáng)度下，可以通過陽極氧化得到完

12、全分解。降解中間產(chǎn)物是苯醌、氫醌、鄰苯二酚、馬來酸、富馬酸、草酸等；n有機(jī)氯殺蟲劑是生物毒性物質(zhì)，由于羥基自由基與有機(jī)氯的反應(yīng)性極低，因此用電化學(xué)還原脫氯，降低毒性后用生物處理n染料廢水處理（陽極氧化或陰極還原）電FentonnFenton試劑是由H2O2和Fe2+混合后得到的一種強(qiáng)氧化劑，對于難降解有機(jī)廢水的處理卓有成效。但是在傳統(tǒng)的Fenton法中，由于雙氧水的費(fèi)用較高，亞鐵離子的再生困難，在反應(yīng)過程中隨著兩者濃度的降低，使得反應(yīng)速率難以維持在較高的水平上，對有機(jī)物特別是難降解有機(jī)物的降解時(shí)間較長，降解效果不夠理想，水處理費(fèi)用也很高。電Fenton電Fenton法是利用電解產(chǎn)生雙氧水或亞鐵

13、離子或者同時(shí)電生這兩種物質(zhì)，使之構(gòu)成Fenton試劑。陰極反應(yīng)：O2+2H+2e-=H2O2 =0.6825V Fe3+e-=Fe2+ =0.771V 陽極反應(yīng)： Fe = Fe2+2e- =-0.4402V 2H2O = O2+4H+4e- =1.229V 電生的H2O2和Fe2+發(fā)生Fenton試劑反應(yīng)：H2O2+Fe2+=OH+OH-+Fe3+ 電Fenton的三種工作方式n陰極電Fenton法，它利用電極反應(yīng)和電生Fenton試劑對有機(jī)物進(jìn)行降解。能現(xiàn)場產(chǎn)生雙氧水，并能夠有效的再生亞鐵離子，但是這種方式對酸度有較高的要求（pH2.5）。n通過電極反應(yīng)電生亞鐵離子與加入的雙氧水構(gòu)成Fen

14、ton試劑，對有機(jī)物進(jìn)行降解研究，該方式可以實(shí)時(shí)的控制雙氧水和亞鐵離子的配比，從而達(dá)到較高的反應(yīng)速率，但是該方法需要消耗雙氧水。n利用電極反應(yīng)構(gòu)成Fenton體系，在產(chǎn)生Fenton試劑的同時(shí)利用過量鐵離子進(jìn)行混凝沉淀，對實(shí)際廢水有很好的處理效果。 電Fenton應(yīng)用研究舉例nMehmet A等以碳纖維為陰極，鉑絲為陽極，利用溶液中的溶解氧和陽極電生的氧氣在陰極還原生成雙氧水，繼而與投加的亞鐵離子構(gòu)成Fenton試劑，對五氯酚溶液進(jìn)行了降解研究。電Fenton應(yīng)用研究舉例n鄭曦等采用多孔石墨為陰極，不銹鋼為犧牲陽極，同時(shí)在陰極通入空氣電生雙氧水和亞鐵離子，對染料廢水進(jìn)行了處理研究。電Fento

15、n應(yīng)用研究舉例n采用活性炭纖維為陰極，不銹鋼片為陽極，在陰極連續(xù)通入空氣的條件下，對硝基酚模擬廢水進(jìn)行了電Fenton處理方法研究，研究結(jié)果表明，以活性炭纖維為陰極的電Fenton 法對硝基酚具有很好的處理效果。 0204060800100200300電 解 時(shí) 間 （ min）CODCr 去除率（）電Fenton應(yīng)用研究舉例0123200400600波長(nm)吸光度原水電解40min電解80min電解120min電解160min電Fenton應(yīng)用研究舉例土壤原位修復(fù)中的電化學(xué)方法n利用電流去除土壤中的重金屬、有機(jī)物土壤原位修復(fù)中的電化學(xué)方法的機(jī)制n電遷移：帶電離子在土壤溶液中運(yùn)動(dòng)n電滲：含帶電離子的液體流向一個(gè)固定的帶電表面的過程n電泳：帶電離子移向固定的液體土壤原位修復(fù)中的電化學(xué)方法的機(jī)制n電流的作用： 在陽極區(qū)產(chǎn)酸，酸液穿透土壤，是土壤表面污染物解附； 使土壤孔隙液中污染物和人為加入的處理液發(fā)生電