電絮凝在水處理中的應(yīng)用
絮凝是水處理過(guò)程最重要的物理化學(xué)操作過(guò)程之一,這一過(guò)程通常是脫穩(wěn)和使小顆粒物凝聚成大顆粒。目前,化學(xué)絮凝的可接受程度正逐漸變小,這主要是因?yàn)榕c化學(xué)試劑處理有關(guān)費(fèi)用昂貴(如:產(chǎn)生污泥的體積大,產(chǎn)生有毒廢物,昂貴化學(xué)藥劑等),而絮凝過(guò)程可通過(guò)化學(xué)和電學(xué)途徑即電絮凝技術(shù)而獲得。
1 電絮凝的理論基礎(chǔ)
電絮凝一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,在電場(chǎng)的作用下金屬電極產(chǎn)生陽(yáng)離子在進(jìn)入水體時(shí)包括許多物理化學(xué)現(xiàn)象,從離子的產(chǎn)生到形成絮體包括三個(gè)連續(xù)的階段:
(1)在電場(chǎng)的作用下,陽(yáng)極產(chǎn)生電子形成“微絮凝劑”——鐵或鋁的氫氧化物;
(2)水中懸浮的顆粒、膠體污染物在絮凝劑的作用下失去穩(wěn)定性;
(3)脫穩(wěn)后的污染物顆粒和微絮凝劑之間相互碰撞,結(jié)合成肉眼可見(jiàn)的大絮體。
由于電絮凝過(guò)程中電解反應(yīng)的產(chǎn)物只是離子,不需要投加任何氧化劑或還原劑,對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生污染,被稱(chēng)為是一種環(huán)境友好水處理技術(shù)。電絮凝法具有很多的優(yōu)點(diǎn),如:
(1)設(shè)備簡(jiǎn)單,占地面積少,設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單;
(2)電絮凝過(guò)程中不需要添加任何化學(xué)藥劑,產(chǎn)生的污泥量少,且污泥的含水率低,易于處理;
(3)操作簡(jiǎn)單,只需要改變電場(chǎng)的外加電壓就能控制運(yùn)行條件的改變,很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制;
電絮凝法中常用的電極材料為鋁和鐵,在陽(yáng)極和陰極之間通以直流電,發(fā)生的電極反應(yīng)如下:
鋁陽(yáng)極 Al-3e→Al3+ (1)
在堿性條件下 Al3++3OH-→Al(OH)3 (2)
在酸性條件下 Al3+ +3H2O→Al(OH)3+3H+ (3)
Fe-2e→Fe2+ (4)
在堿性條件下Fe2++2OH-→Fe(OH)2 (5)
在酸性條件下4Fe2++O2+2H2O→4Fe3++4OH- (6)
另外,水的電解還有氧氣放出2H2O-4e→O2+4H+ (7)
在陰極發(fā)生如下反應(yīng)2H2O+2e→H2+2OH- (8)
電絮凝法在處理過(guò)程中具有多功能性,除了電絮凝作用之外還有電化學(xué)氧化和還原、電氣浮等作用。電絮凝法去除水中污染物過(guò)程見(jiàn)圖1。
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2 電絮凝反應(yīng)器中電極組合方式
在電絮凝器中，按照電極板兩側(cè)的電極極性分，電絮凝器可分為單極式、雙極式和組合式三類(lèi)，見(jiàn)圖2。對(duì)于單極式電絮凝器，電勢(shì)高低交錯(cuò)，電流總是從某一陽(yáng)極流向相鄰的陰極，而不可能繞過(guò)幾塊極板流向其他陰極，每塊極板表現(xiàn)出一種電性且相鄰的電極表現(xiàn)為不同的電性:,這類(lèi)電絮凝器不存在電流的泄漏問(wèn)題;雙極式與組合式的情況則有所不同，部分電流可以繞過(guò)幾塊極板，從靠近電源正極的一此極板直接流向靠近電源負(fù)極的一此極板，除了與電源兩極相連的極板外，每塊極板表現(xiàn)出不同的電性:,雙極式和組合式都存在著電流泄漏的現(xiàn)象。
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3 在水處理中的應(yīng)用
電絮凝技術(shù)在目前很多廢水處理領(lǐng)域都可應(yīng)用，在高濃度、難生化降解、要求高氨氮去除率的廢水的處理更具優(yōu)勢(shì);在目前工藝不能滿(mǎn)足的廢水處理，電絮凝技術(shù)可在很低的投資條件卜，實(shí)現(xiàn)原有廢水處理工藝的出水達(dá)標(biāo)，可將原工藝主要的耗費(fèi)段放棄不用，見(jiàn)圖3。
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1889年，英國(guó)人曾利用鐵電極電絮凝法來(lái)處理城市污水。20世代紀(jì)60年代初期，隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電化學(xué)法開(kāi)始引起人們的注意。近年來(lái)，電絮凝技術(shù)已)’泛地應(yīng)用于各類(lèi)水處理當(dāng)中。目前，電絮凝技術(shù)已成功地應(yīng)用于金屬的回收、處理有機(jī)染料、懸浮顆粒、從各種工業(yè)廢水和生活廢水中去除油脂以及其它各種廢水的處理。
Chen等以鋁作為電極材料，利用電絮凝技術(shù)處理高濃度油脂的餐飲廢水，處理時(shí)間小于4.5min,油脂,COD和SS的去除率分別為99%,88%和98%，每去除1 kgCOD產(chǎn)生干泥0.20- 0.37kg,能消耗為0.5kWh/(m，廢水)，處理后的出水滿(mǎn)足排放要求，可有效減輕對(duì)城市公共水處理設(shè)施的負(fù)荷。
紡織印染業(yè)排放的廢水中含有大量不容易生物降解的染料分子和很高的COD,若不經(jīng)處理排放到水體中會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。利用電絮凝法可有效地去除廢水中的色度以及降COD。Bayramoglu等分別利用鐵和鋁作為電極進(jìn)行了電絮凝處理紡織廢水的研究，在溶液旱酸性時(shí)，利用鋁電極去除COD和濁度的處理效果要優(yōu)于鐵電極，但是溶液為中性或弱堿性時(shí)，利用鐵電極則處理效果要比鋁電極好。在電絮凝過(guò)程中，溶液的電導(dǎo)率較高則運(yùn)行的費(fèi)用較低，在達(dá)到相同的去除COD和濁度的去除效率，利用鐵電極比鋁電極需要更低的電流密度。Alinsafi等利用電絮凝技術(shù)處理話(huà)性染料印染廢水，研究了pH、電流密度和反應(yīng)時(shí)間等因索對(duì)去除色度和COD的影響，最佳反應(yīng)10.5min，電流密12mA/cm2，色度的去除率達(dá)到90-95%, COD的去除率在30-36%之間。
電絮凝可用于處理某鄴工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的含硼溶液，硼的去除效率主要取決于電流密度、初始溶液中硼的濃度以及處理時(shí)間，在電流密度為20 mA/cm2，處理20- 30min后，硼的去除率約為90%初始濃度為2.5g/L) ,能耗為2.5- 4.5kWh/m3廢水。在溶液中添加CaC12,可提高電導(dǎo)率，降低能量的消耗。
在石油、天然氣采鉆探過(guò)程中，聚磺泥漿體系產(chǎn)生的鉆井廢水中含有大量的多種無(wú)機(jī)物和有機(jī)物，其COD大、色度高、礦化度高、懸浮物高、含油量高，若不經(jīng)處理直接排放，將對(duì)環(huán)境造成污染。該類(lèi)廢水采用常規(guī)絮凝工藝處理難以做到廢水達(dá)標(biāo)排放，其處理在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有得到妥善解決。馬文臣等采用電絮凝技術(shù)對(duì)聚磺泥漿體系鉆井廢水進(jìn)行處理，廢水經(jīng)75min處理后，COD可由1511mg/L 下降到86.3mg/L，色度可從1500倍降到27倍，其主要水質(zhì)指標(biāo)可滿(mǎn)足GB8978- 1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。
利用電絮凝處理造紙廢水，研究結(jié)果表明，在電壓為12 V,電流為77.13mA，不論使用鐵或鋁電極，在2min內(nèi)都能有效去除NO3以外的所有造紙廢水中的污染物，繼續(xù)增加電絮凝處理的時(shí)間，對(duì)COD和BOD的去除率的影響不大。
電鍍、冶金等工業(yè)生產(chǎn)通常排放含Cr6+溶液，由于其對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重危害，各國(guó)鉻的排放都有嚴(yán)格的要求，如我國(guó)要求總鉻的排放標(biāo)準(zhǔn)為0.5mg/L GB8978- 1996)，傳統(tǒng)除鉻的方法有沉淀、吸附、生物降解等，Gao等對(duì)利用電絮凝法除廢水中的鉻，Cr6+與陽(yáng)極電解出的Fe2+反應(yīng)，被還原為Cr3+后與陰極產(chǎn)生的OH-生成沉淀而去除，總鉻濃度為3.0 g/L的溶液經(jīng)過(guò)電絮凝處理后濃度小于0.5 mg/L,最佳運(yùn)行條件為:電量2.5 F/m-廢水，pH5- 8，電能消耗小于1kWh/m3廢水。廢水中鉻的去除率超過(guò)99%。
橄欖油廠(chǎng)排放的深紅色廢水中含有大量的酚，排放到水體中或用于農(nóng)業(yè)灌溉之前必須進(jìn)行處理。 Adhoum等利用電絮凝法處理橄欖油廠(chǎng)廢水，電絮凝處理25min后，出水的COD、多元酚以及色度的去除率分別達(dá)到76% , 91%和95% ,鋁電極的消耗量為2.11 kg/m，廢水。利用電絮凝和生物法結(jié)合處理橄欖油廢水會(huì)取得更好的處理效果。
高濁度水處理被認(rèn)為是水質(zhì)凈化處理的兩大難題之一。采用兩級(jí)電絮凝、兩級(jí)斜答沉淀、三層濾料過(guò)濾，并配合二級(jí)沉淀物回流的新工藝，可將濁度為10000度的原水在42min內(nèi)一次凈化為濁度小于3度的飲用水。通過(guò)對(duì)顆粒物沉淀和氣浮的研究發(fā)現(xiàn)，在電絮凝過(guò)程中:低電流時(shí)顆粒物通過(guò)沉淀而去除，高電流時(shí)顆粒物通過(guò)氣浮而去除。
電凝聚可同時(shí)除去水中有機(jī)物、細(xì)菌、有毒重金屬和其他毒物，降低濁度，是一種很有前途的給水凈化方法。
飲用水中的砷主要以A$(III)和A$(V)兩種形態(tài)存在，由于其高毒性嚴(yán)重影響著人類(lèi)的健康。 Kumar等研究表明，利用電絮凝法去除水A睡III)和As(V)的效率相近，在電絮凝過(guò)程中A$III)首先被氧化成A$(V)，然后通過(guò)吸附以及與金屬氫氧化物形成配位化合物而去除。利用該法除毒性更高的As(III>的效率要優(yōu)于傳統(tǒng)的使用FeCI3絮凝劑。
我國(guó)飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水中鐵含量不超過(guò)0.3 mg/L。在使用電機(jī)的壓力式電絮凝55濾料過(guò)濾除鐵的裝置中，原水中的Fe2+經(jīng)過(guò)Al(OH)3:吸附，再經(jīng)過(guò)SS濾料過(guò)濾后即可去除。
當(dāng)原水中的鐵含量小于30mg/L時(shí)，處理后的水均能達(dá)到國(guó)家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 用鐵作電極處理污染的河水時(shí)，細(xì)菌與濁度的去除效果都十分顯著。增大電流密度可提高COD和細(xì)菌的去除率與速率，但達(dá)到相同去除率的能耗將增大。
4 結(jié)語(yǔ)
電絮凝是一種水處理和凈化技術(shù)。深入研究電解過(guò)程中的作用機(jī)理，針對(duì)不同的廢水選擇恰當(dāng)?shù)奶幚砉に，通過(guò)改進(jìn)電源技術(shù)、研究新型電極材料及電解槽結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步提高電凝聚氣浮技術(shù)的處理效率和降低能耗是當(dāng)前該技術(shù)的發(fā)展方向。隨著電力工業(yè)的發(fā)展以及對(duì)電化學(xué)的研究越來(lái)越深入，電絮凝在水處理中有著廣泛的應(yīng)用前景。
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