電化學(xué)水處理技術(shù)

1、電化學(xué)水處理技術(shù) Electrochemical water treatment technologyReporter: Group 5組員及分工水處理文獻(xiàn)講解：電化學(xué)-生物接觸氧化組合技術(shù)處理除草劑廢水效能研究基礎(chǔ)知識：電化學(xué)水處理技術(shù)概述引言廢水處理Waste water treatment? ?n什么是電化學(xué)?n什么是電化學(xué)水處理技術(shù)?n電化學(xué)水處理技術(shù)的實際應(yīng)用?n電化學(xué)水處理技術(shù)的最新進(jìn)展? 今天我們共同探討這個話題?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

2、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發(fā)展歷史n1799年Valta的Cu-Zn原電池是世界上第一個將化學(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)展的電極過程動力學(xué)n近幾十年半導(dǎo)體電極過程

3、特性研究和量子理論解釋溶液界面電子轉(zhuǎn)移等研究Basic conception of electrochemistry 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 1、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)的用途電解 精煉和冶煉有色金屬和稀有金屬； 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A.自由電子作定向移動而導(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

4、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。第一類導(dǎo)體A.正、負(fù)離子作反向移動而導(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)第二類導(dǎo)體 又稱離子導(dǎo)體，如電解質(zhì)溶液、熔融電解質(zhì)等。4、電極陰極、陽極：按照電荷的流動方向分電極 按照電化學(xué)體系中的作用分電極n工作電極(working electrode）n輔助電極（counter electrode)n參比電極（reference 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

5、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5、離子遷移方向離子遷移方向：Anion Anode陰離子遷向陽極Cati

6、on Cathode陽離子遷向陰極6、原電池與電解池原電池(galvanic cell)6、原電池與電解池電解池(electrolytic cell)n電化學(xué)水處理技術(shù)是指在外加電場的作用下，在特定的電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)，通過一定的化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)過程或物理過程，對廢水中的污染物進(jìn)行降解的過程。1、定義2、基本原理原理直接電解間接電解陽極過程：有機(jī)物氧化陰極過程：鹵代烴、重金屬可逆過程：金屬氧化物高低價態(tài)轉(zhuǎn)化不可逆過程：產(chǎn)生的強(qiáng)氧化性物質(zhì)或自由基 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、多功能性電化學(xué)過程具有直接或間接氧化

7、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)計電極與電解池，減小能量損失。4、經(jīng)濟(jì)實用設(shè)備、操作簡單, 費用低。3、電化學(xué)技術(shù)的優(yōu)點n電化學(xué)氧化n電化學(xué)還原n電吸附n電凝聚n電滲析4、主要技術(shù)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

8、解消除水中的氰、酚以及COD、S2等污染物。4.1電化學(xué)氧化（陽極過程）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積出來。 4.2 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)（六價鉻變?yōu)槿齼r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+eR-H+Cl4.3 電吸附n采用大比表面積的吸附性電極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

9、、凈化的目的。4.4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）4.4電凝聚和電浮選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，從一個溶液進(jìn)入另一種溶液，實現(xiàn)離子化污染物的分離、濃縮。4.5 電滲析4.5 電滲析1.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)點常溫常壓條件 不（少）引入其它化學(xué)物質(zhì)n有機(jī)

10、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)物電化學(xué)氧化的原理1.1 持久性有機(jī)污染物n電化學(xué)氧化技術(shù)借助具有電催化活性的陽極材料，能形成氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基(-OH)，既能使持久性有機(jī)污染物發(fā)生分解并轉(zhuǎn)化為無毒可生化降解物質(zhì)，又可將之完全礦化為二氧化碳或碳酸鹽等物質(zhì)。該項技術(shù)應(yīng)用于持久性有機(jī)污染物廢水處理，不僅可彌補其他常規(guī)處理工藝的不足，還可與多種處理工藝有機(jī)結(jié)合，提高水處理的經(jīng)濟(jì)性。電化學(xué)氧化過程中，具有電活性的陽極表面能起到吸附、催化、氧化等多種轉(zhuǎn)化功能。低濃度的持久

11、性有機(jī)污染物廢水電導(dǎo)率很低，為了增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性需要加入強(qiáng)電解質(zhì)(如氯化鈉、硫酸鈉)。1.2 酚類n目前，國內(nèi)外對于含酚廢水的研究較多，此類廢水來源廣、污染重，是芳香化合物的代表。電化學(xué)氧化含酚廢水的影響因素有苯酚初始濃度、廢水pH值、電流密度、支持電解質(zhì)種類等。周明華等4以經(jīng)氟樹脂改性的-PbO2為陽極，處理含酚模擬廢水，在電壓為7.0 V，pH值為2.0的條件下，其COD可降至60 mg/L以下，揮發(fā)酚可完全去除?？锷倨降仍诟綦x陰、陽極室條件下進(jìn)行了電化學(xué)法降解含酚廢水試驗，苯酚的轉(zhuǎn)化率達(dá)95%以上；同時，分別對鉛電極和鈦上電沉積二氧化鉛的電極作為陽極進(jìn)行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)Ti/PbO2電極對

12、苯酚的降解更加徹底。1.3 硝基苯類化合物n硝基苯類化合物屬于生物難降解物質(zhì)，用電化學(xué)催化系統(tǒng)處理此類廢水具有一定的意義。以DSA類電極作為陽極，對模擬硝基苯廢水進(jìn)行的降解試驗表明，當(dāng)電流密度為15 mA/cm2時，CODCr的去除率可達(dá)到90%以上。謝光炎等以自制PbO2為陽極，在堿性條件(pH=10)下電解134 min，硝基苯酚溶液的質(zhì)量濃度從200 mg/L降至1 mg/L以下，BOD/COD值達(dá)到0.63，表明該工藝對后續(xù)生化處理有重要的實用價值。2 重金屬n與傳統(tǒng)的二維電極相比，電沉積法的三維電極能夠增加電解槽的面體比，且因粒子間距小而增大了物質(zhì)傳質(zhì)速度，提高電流效率和處理效果。利用三維電極主要是處理含Cu2+和Hg2+等的重金屬廢水，三維電極所提供的特殊表面和很大的傳質(zhì)速率，能有效地處理稀溶液，這種電極能在幾分鐘內(nèi)將金屬質(zhì)量濃度從100 mg/L降至0.1 mg/L，除去重金屬離子的效率高，需要的空間少。離子交換樹脂與銅粒等比例混合制成的復(fù)合三維電極固定床電化學(xué)反應(yīng)器，用于處理低濃度含銅廢水，且無須加入支持電解質(zhì)(如硫酸)，出口銅質(zhì)量濃度為0.008 mg/L，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。3 氨氮和氰廢水n電催化氧化法去除氨氮的原理是：廢水進(jìn)入電解系統(tǒng)后，在不同條件下，陽極上可能發(fā)生兩種氧化反應(yīng)：一是氨直接被氧化成氮氣脫除；二是氨間接電氧化。即通過電極反