电化学技术在环保领域的应用

发布时间：2024-11-08

电化学技术在环保领域的应用

[摘要]详细介绍了电化学技术的各种类型,并综述了电化学技术在环保领域的研究、应用及发展状况。

[关键词]电化学;废水处理;废气处理;环境保护

[引言]电化学技术通过方便地控制电极电势就可以实现物质的氧化或还原。该技术可以用于工业产品的生产,是一种基本上对环境无污染的“绿色”生产技术,同时可应用于环境污染治理,通过氧化或还原反应除去对环境有害的物质[1] 。电化学技术在国内外都得到了重视,尤其是对难生物降解且对人类危害极大的“三致”(致癌、致畸、致突变)有机污染物的电化学处理技术的研究。此外,应用电化学技术进行环境污染物监测以及开发化学电源,在环境保护中都具有广泛的应用前景。

1 基本类型

主要的电化学处理技术包括:

(1)电凝聚(或电气浮)法:电凝聚法也叫电气浮法,即在外电压作用下利用可溶性阳极(铁或铝)产生大量阳离子,对胶体污染物进行凝聚,同时阴极上析出大量氢气微气泡,与絮体粘附在一起上浮,从而实现污染物的分离[2] 。

(2)电化学氧化法:该法分为直接氧化法和间接氧化法两种,均属于阳极过程。直接氧化法是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质;间接氧化法则是通过阳极反应之外的中间反应,使污染物氧化,最终转化为无害物质[3] 。

(3)电沉积法:该法利用电解液中不同金属组分的电势差,使自由态或结合态的溶解性金属在阴极析出。适宜的电势是电沉积发生的关键。

(4)内电解法:该法作为一种新兴的技术,是利用活性金属填料在废水中形成原电池的原理,通过填料表面电化学反应和后絮凝作用达到净化废水的目的。

(5)其它电化学工艺:电吸附、电渗析、离子交换辅助电渗析以及电化学膜分离等技术[4] 不仅可以用作清洁生产工艺,预防环境污染,而且它们也是有效的工业废水处理方法。电吸附法可以用来分离水中低浓度的有机物和其它物质。电渗析法可处理含Ni2+、CrO2-4、Sn2+、PO3-3和PO3-2等污染物的工业废水。离子交换辅助电渗析法具有可多样化设计、适用范围广等优点,已成为环保开发应用热点技术。电化学膜分离技术是利用膜两侧的电势差进行物质分离,常用于气态污染物的分离。

2 应用现状及发展趋势

2.1 废水处理

电化学法处理废水是近年发展起来的颇具竞争力的废水处理工艺。长期以来由于电化学法存在能耗大、电流效率低、成本高及易发生析氧、析氢等副反应的特点,一直没有得到很好的发展。近年来,随着电极材料的开发、反应器的研制及对传统电化学工艺的改进,电化学水处理技术得到了广泛应用。

2.1.1 电凝聚(或电气浮)法

国内外有大量利用该技术治理印染废水、含油废水、化纤废水等多种行业废水的报道。电凝聚法中,通常采用的阳极材料为金属铝或铁。由于该方法消耗铝材的同时还消耗大量的能源,因而它的应用受到了一定的限制。该技术当前的发展方向是,通过改进电源技术、研究新型电极材料及结构,使电能消耗和材料消耗进一步降低[5] 。新发展的电源技术主要是脉冲电源。此外,周期换向的脉冲电解新概念在电镀领域已有应用,在废水治理领域尚未见报道

[6] 。

2.1.2 电化学氧化法

该法不仅适用于处理高浓度废水,对低浓度废水同样可行。近年来通过改进电极结构,可以提化工环保污染物的去除效果,并降低电能耗。废水处理中电化学氧化法研究最多的还是对有机物的氧化,主要集中在对难生物降解物质的处理,如染料、酚以及造纸等多种生产废水中的有机物。电化学氧化法处理有机污染物主要的原理是:有机物的某些官能团具有电化学活性,通过电场的强制作用,官能团结构发生变化,从而改变了有机物的化学性质,使其毒性减弱以至消失,增强了生物可降解性。若是利用电极强化分解作用,再辅以其它次生氧化反应,可使有机物完全矿化。利用电化学方法,可使有机污染物在电极上发生直接电化学反应,转化为无害物质,例如对酚类、含氮有机染料、腈化物等的处理;或发生间接电化学反应,利用电极反应产生强氧化作用的中间物质,将有机污染物氧化,最终降解。电化学方法处理有机污染废水的过程与电极材料、电极表面结构及负荷情况、电解质溶液组成以及浓度等因素相关[4] 。在有机物的电氧化过程中,限速步骤一般为电极表面的电子转移步骤,因此寻找具有高效催化性能的电极材料尤为重要。不同的电极材料具有不同的特殊催化特性,可以发生不同的反应及产生不同的氧化中间物质,因此电极材料的开发是电化学方法处理有机污染废水技术的关键。在电极表面涂覆一层具有催化性能的膜是一种新方法,它是该领域的未来发展方向。采用电化学法氧化无机含氮化合物也较有效,最后以N2形式释放。此外,电化学氧化法也可用于废水的杀菌消毒。在电场作用下,细菌吸附在电极表面被强制放电,细胞结构被破坏,从而被杀灭。电极表面产生的氧化剂如ClO- 也可杀灭细菌。

2.1.3 电沉积法

采用电沉积法处理低浓度金属离子废水,是近年来一个十分活跃的研究领域。该法处理金属离子废水的优势在于能回收金属,且无二次污染。当金属离子浓度偏低时,其处理效率取决于被去除金属离子的传质速率、电极的有效面积及副反应的发生。这就需要高效传质反应器,否则电沉积法就会失去竞争力 [7] 。目前该法处理含金属离子废水的技术核心是新型电极结构电解槽的设计。针对不同污染物和不同生产状况,可采用不同的电解槽进行处理,如采用旋转圆筒二维电极去除Fe3+ ,Cu2+ ,Cr6+ ,Ag2+ ,Ni2+ 等金属离子、采用低孔隙率填充床三维电极去除Cu2+,Zn2+,Ag+ 等金属离子。2.1.4 内电解法该技术能“以废治废”,不消耗能源,能去除废水中多种污染成分和色度,还能提高难降解物的可生化性。内电解柱内的填料一般为废铁屑和活性炭 (或石墨),再辅以疏松剂。其处理原理是:Fe2+具有较强的还原作用,可使废水中某些氧化组分还原;Fe(OH)2具有絮凝作用;活性炭具有吸附作用,可吸附有机物及微生物;铁-碳构成的原电池产生微弱的电流,对微生物的生长和代谢有刺激作用。众多因素的综合作用使污染物得以去除。其缺点是反应速度比较慢,反应器易阻塞,处理高浓度废水比较困难。该法经常作为预处理方法与其它处理方法如混凝法、生化法相结合,可提高废水的可生化性,为进一步处理创造有利条件[5] 。

内电解法运用得比较成功的实例是上海大学在某腈纶厂聚合废水处理中采用的内电解技术。但该技术虽已工业化应用多年,仍存在以下弊端:一是由于在反应过程中有铁损耗,需不断地补充铁屑;二是反应前后调节废水pH需要消耗大量的酸和碱。大连理工大学在这方面开展了长期深入的研究,他们开发的专利技术“连续吸附—电解再生污水处理设备”,在原有基础上有了较大进展,取代了铁屑材料,其应用对象也十分广泛。该技术可用于高浓度预处理及低浓度深度处理各类工业废水、生活污水及给水[8] 。

2.1.5 电化学技术与其它技术相结合

目前的另一研究趋势是将电化学技术与其它处理工艺结合起来,以达到优势互补的目的。例如铁-碳微电解—高效复合微生物法处理高浓度化工有机废水 [9],可有效地提高化工有机废水的可生化性,有效地去除COD和氨氮,使其达到国家排放标准。

2.2 废气处理

化工厂、热电厂在生产中会排放出许多含有毒、有害物质(如Cl2,H2S,SO2,NOx,CO2等)的气体。这些污染物大多是电活性的,因此可以采用电化学技术处理。

电化学技术处理废气包括两个步骤[10] :(1)使气体中的有害物质溶解在液体中;(2)用电解法将其转化为无害的物质。其工艺可分为槽内工艺和槽外工艺[4] ,槽内工艺是气体直接经吸附转移到电化学反应器内并被处理;槽外工艺是气体先被吸附到独立的容器中,再转移到电化学反应器中进行处理。采用三维填充床电极,辅以多孔渗水隔膜或离子交换膜的槽内直接电化学方法已经成功应用于含Cl2、SO2的废气净化。Cl2的氧化或还原反应可能直接发生在电极上,或是通过间接电氧化(还原)来完成[11] 。SO2是燃气产生的主要污染物之一,已尝试用多种电化学手段将其从燃气中除去。其中最成功的方法是ISPRAMARK过程[12] ,其原理是利用阳极氧化将HBr氧化成Br2,然后Br2与SO2和水反应制得硫酸。硫酸具有市场意义,Br2作为中间体是完全循环的。最近研究较多的是对同时含有SO2和氮氧化物的废气进行处理。如Ce4+ 辅助工艺是以Ce4+ 为均相氧化还原媒介,将SO2和氮氧化物同时分别转化为硫酸和硝酸;PbO2、连二亚硫酸盐工艺也可有效处理SO2和氮氧化物废气[11] 。

2.3 土壤的电化学修复

利用电化学技术可以除去土壤中的无机、有机污染物。该法只需将电极插入土壤中并通以直流电,使离子以电迁移、对流和扩散的方式在土壤中运动。重金属离子会在阴极电沉积后被除去,有机污染物会随着含带电离子的液体做电渗流动,然后通过辅助方法如离子交换膜法或化学沉淀法去除。目前,已有人采用电化学方法去除土壤中的多种重金属、甲苯、二甲苯、酚类化合物和含氯有机化合物等[10]。

2.4 环境监测控制

通过选择不同的电极和电解池,电化学技术还可用于环境监测控制,如应用于传感器、监测器和控制器的设计和制造,用于H+ 、O2、CO2、SO2及金属离子的分析[11] 等。这种技术可以满足环境监测和控制的不同要求,并且与其它的物理手段结合起来,易于实现环境监测和控制的高灵敏性、快速和自动化。

2.5 其它方面的应用

电化学技术还可用于对金属仪器和设备的防腐。通过施加电位,用阴极保护或用阳极氧化使金属钝化的办法,可以使腐蚀停止或减慢,从而达到防腐的目的。相对于其它类型的防腐方法来说,这种方法价格低、效果好,因而在世界各国已得到了广泛的应用。

3 结语

电化学技术在环境保护中的应用还处在发展阶段,但凭借其许多独特的优点已成为十分活跃的研究领域。虽然有些电化学方法只是处于小试阶段,但随着电化学技术研究的发展、新型电极材料与新型电极的开发以及与其它方法的联用,电化学技术在环保领域中将显示出更广阔的应用前景。

参考文献

1 崔晓丽,赵汝琪,范小振等.电化学技术在环境保护中的应用.河北化工,1999,(1):32～34 2 冯玉杰,李晓岩,尤宏等.电化学技术在环境工程中的应用.北京:化学工业出版社,2002 3 王翠,史佩红,杨春林等.电化学氧化法在废水处理中的应用.河北工业科技,2004,21(1):49～52

4 侯峰岩,王为.电化学技术与环境保护.化工进展, 2003,22(5):471～476

5 张英,徐章法,徐伯兴.电化学工艺在废水处理领域的应用.上海化工,2002,13:6～9 6 甘莉.电凝聚水处理技术的新进展.工业水处理,2002, 22(5):5～7

7 谢光炎,梁开文,肖锦.废水净化的电化学方法进展. 给水排水,1998,24(1):64～68

8 周集体,杨凤林,杨卫身等.连续吸附—电解再生污水处理设备.中国,CN1201759A,2002