電化學(xué)在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、精品資料推薦電化學(xué)在環(huán)境工程領(lǐng)域中的應(yīng)用2006年07月20日 出處：化學(xué)與粘合 瀏覽1648 次隨著全球環(huán)境狀況的日益嚴(yán)峻，環(huán)境保護及污染物處理問題引起了各國政府的高度重視。電化學(xué)技術(shù)由于其自身的優(yōu)點和特性，在治理環(huán)境污染方面發(fā)揮著重要作用。電化學(xué)在環(huán)境保護中所體現(xiàn)出來的優(yōu)越性有以下幾點：環(huán)境兼容性高在電化學(xué)過程中把高效、 清潔的電子作為強氧化還原試劑使用，這是一種基本上對環(huán)境無污染的綠色技術(shù)。例如，電化學(xué)燃燒發(fā)生在溶液中，不會產(chǎn)生CO2引起溫室效應(yīng)。再者，由于界面電場中存在著極高的電位梯度 ，電極相當(dāng)于異相 反應(yīng)的催化劑，因而減少了因加入催化劑而有可能帶來的環(huán)境污染。同時，電化學(xué)過程具有較

2、高的選擇性，可以抑制副反應(yīng)發(fā)生，減少污染物。能量利用率高由于電化學(xué)過程不受卡諾循環(huán)的限制，可以提高能源的利用率。同時，可以通過控制電極電位、 合理設(shè)計電極與電解池，減少能量損失。而且，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?？煽刂菩噪娀瘜W(xué)過程中的兩大參數(shù)電流與電壓信號，易測定和自動控制。多功能性電化學(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。經(jīng)濟性電化學(xué)技術(shù)所需的設(shè)備簡單，操作費用較低。本文介紹了電化學(xué)處理環(huán)境污染物的幾種基本方法，對電化學(xué)方法在環(huán)境污染物的治理，清潔生產(chǎn)，有機電合 成以及環(huán)境監(jiān)測等方面的應(yīng)用做了具體闡述。1電化學(xué)技術(shù)對環(huán)境污染物的處理電化學(xué)

3、技術(shù)處理環(huán)境污染物的基本方法電滲析依靠在電場作用下選擇性透過膜的獨特功能，使離子從一種溶液進(jìn)入另一種溶液中，達(dá)到對離子化污染物的分離和濃縮。利用電滲析處理金屬離子時并不能直接回收到固體金屬，但能得到濃縮的鹽溶液，并使出水水質(zhì)得到明顯改善。目前研究最多的是單陽膜電滲 析法。電化學(xué)氧化電化學(xué)氧化分為直接氧化和間接氧化兩種，屬于陽極過程。直接氧化是通過陽極氧化使污染物直接轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)；間接氧化則是通過陽極反應(yīng)產(chǎn)生具有強氧化作用的中間物質(zhì)或發(fā)生陽極反應(yīng)之外的中間反應(yīng)，使被處理污染物氧化，最終轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。對于陽極直接氧化而言，如反應(yīng)物濃度過低會導(dǎo)致電化學(xué)表面反應(yīng)受傳質(zhì)步驟限制；對于間接氧化，則不存

4、在這種限制。在直接或間接氧化過程中，一般都伴有析出 H2或O2的副反應(yīng)，精品資料推薦但通過電極材料的選擇和電勢控制可使副反應(yīng)得到抑制。電化學(xué)還原通過陰極還原反應(yīng)去除環(huán)境污染物。同電化學(xué)氧化一樣，分為陰極直接還原和間接還原。主要用于氯代燃的脫氯和重金屬的回收。電吸附利用電極作為吸附表面，像傳統(tǒng)吸附過程一樣進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)的回收。它可以用來分離水中低濃度的有機物和其他物質(zhì)。為了維持較高的吸附特性，一般采用大比表面積的吸附電極。電凝聚電凝聚也叫電浮選，即依靠電場的作用，通過電解裝置的電極反應(yīng)，產(chǎn)生直徑很小 的氣泡，用以吸附系統(tǒng)中直徑很小的顆粒物質(zhì)，使之分離；或者在電浮選過程中，選用鋁質(zhì)或鐵質(zhì)的可溶性陽極

5、，利用電解來氧化鐵屑、鐵板、鋁板等生成Fe2 + 、Fe3 +或Al3 + ,再凝聚成Fe (OH) 2 、Fe (OH) 3 、Al (OH) 3等沉淀物,以實現(xiàn)污 染物的分離。在電凝聚方面的最新技術(shù)是采用活性碳纖維鐵復(fù)合電極對印染與染料廢水進(jìn) 行處 理的電凝聚技術(shù)。光電化學(xué)氧化亦稱為電助光催化。通過半導(dǎo)體材料吸收可見光和紫外光的能量，產(chǎn)生“電子-空穴”對，并儲存多余的能量，使得半導(dǎo)體粒子能夠克服熱動力學(xué)反應(yīng)的屏障，作為催化劑使用,進(jìn)行一些催化反應(yīng)。電沉積利用電解液中不同金屬組分的電勢差，使自由態(tài)或結(jié)合態(tài)的溶解性金屬在陰極析出。適宜的電勢是電沉積發(fā)生的關(guān)鍵。無論金屬處于何種狀態(tài)，均可根據(jù)溶液

6、中離子活度的大小，由能斯特方程確定電勢的高低，同時溶液組成、溫度、超電勢和電極材料等也會影響電沉積過程。電化學(xué)膜分離利用膜兩側(cè)的電勢差進(jìn)行的分離過程。常用于氣態(tài)污染物的分離。電化學(xué)技術(shù)在處理環(huán)境污染物中的應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)在廢水處理中的應(yīng)用(1)含無機污染物廢水的處理在電鍍、冶金及印刷工業(yè)中常產(chǎn)生大量的含重金屬離子的廢 水,如有毒重金屬離子、氧化物、硫氧酸鹽、硫酸鹽、硫化物、氨等，一般采用沉淀法進(jìn)行處理。但對于堿性溶液中的絡(luò)合金屬離子，此法并不十分有效。應(yīng)用電化學(xué)處理技術(shù)可以將廢水中的金屬離子質(zhì)量濃度控制在滿意的水平。電化學(xué)方法處理金屬離子稀廢液的效率取決于被移除粒子的傳質(zhì)速率、電極的有效面積和副

7、反應(yīng)的發(fā)生，而電極的結(jié)構(gòu)和材料是影響傳質(zhì)速率和電極的有效面積的主要因素。因此 ，目 前電化學(xué)方法處理含金屬廢液工藝的技術(shù)核心及研究方向是具有新型電極結(jié)構(gòu)和材料是電 解槽的設(shè)計開發(fā)。目前，一般電解槽的形式分為二維電極電解槽和三維電極電解槽兩種。二維電極應(yīng)用最多的是旋轉(zhuǎn)圓筒電極和平面板電極。旋轉(zhuǎn)圓筒電極電解槽具有均勻的電勢和電流密度，溶液在槽內(nèi)湍流流動，陰陽兩電極距離間隔小，槽的占地空間小，電阻損耗小，能夠 實現(xiàn)不間斷生產(chǎn)。主要應(yīng)用于Fe、Cu、Ag、Cr、Ni等金屬離子的去除或回收。平面板電極電解槽結(jié)構(gòu)簡單，電勢和電流密度分布均勻，可以從陰極上取出電沉積的金屬污染物，清除沉積物后的電極可重復(fù)使用

8、。精品資料推薦三維電極電解槽的電極具有較大的表面積，傳質(zhì)速率高，可在低電勢條件下生產(chǎn)，常見的有填充床電極 和流化床 電極。有文獻(xiàn) 報道，應(yīng)用三維 電極處理 印染廢水其脫色率可達(dá) 99 % ,CODcr去除率大于80 %，此外還可用于處理含酚、含油、含菌的廢水。在工業(yè)應(yīng)用實踐中，二維電極的效果要優(yōu)于三維電極，尤其是用旋轉(zhuǎn)圓筒電極處理金屬離子 稀廢液的效果最佳。（2）含有機污染物廢水的處理電化學(xué)方法可以將有機污染物完全降解為CO2和H2O ,此過程被稱為“電化學(xué)燃燒”。例如對酚類、含氮有機染料、氧化物等的處理，有機污染物也可以不完全降解，即發(fā)生間接電化學(xué)反應(yīng)，利用電極反應(yīng)產(chǎn)生強氧化作用的中間物質(zhì)，

9、將有機污染物（不可降解物質(zhì)）氧化轉(zhuǎn)變?yōu)榭山到馕?，然后再進(jìn)行生物處理，最終將其徹底降解。廣泛用于污水中銀和銅回收的是一種旋轉(zhuǎn)電極結(jié)構(gòu)。它是一個兩維電極反應(yīng)器，在循環(huán)批處理條件下，一個陰極直徑為 01258 m、長度為01254 m、旋轉(zhuǎn)速度為750 r/ min、外加電流 為500A的反應(yīng)器能將銅離子質(zhì)量濃度從500 mg/ L降到4 mg/ L ,處理液一次通過的電耗為813 kw ?h/ kg ,出水濃度控制在 100175 mg/ L水平。電化學(xué)方法處理有機污染廢液的過程與電極材料、電極表面結(jié)構(gòu)及負(fù)載情況、電解質(zhì)溶液組成以及濃度等因素相關(guān)。其中電極材料是最重要的因素，不同的電極材料具有不同

10、的特殊催化特性，可以產(chǎn)生不同的反應(yīng)或不同的氧化中間物質(zhì)，因此電極材料的開發(fā)是電化學(xué)方法處理有機污染廢液技術(shù)的關(guān)鍵。表1表述了一些電化學(xué)方法在處理有機污染液方面的應(yīng)用。表1電化學(xué)方法處理有機污染物廢水Table 1 Tlie or典tuc wastenested by elecTiocheincal me：Ind行普物訊美行業(yè)電祝麻有機構(gòu)印染耀眼除一懶等石苗.般,煙&/砸呼WO?蟠層五星岐.叫口蛆鹵代巾虛內(nèi)殺蟲劑俅。則尊必取心碳升維電極表面的劑石墨葡匕湍層君電極勞古胺類用瞰印寶石施靜陂啟雄等3、電化學(xué)技術(shù)在廢氣處理中的應(yīng)用化工廠、熱電廠等在生產(chǎn)中會排放出許多含有毒、有害物質(zhì)（如Cl2、H2S、S

11、O2、NOx、CO2等）的氣體。采用電化學(xué)方法可處理凈化上述廢氣。電化學(xué)方法去除氣態(tài)污染物包含兩個步驟：首先，氣態(tài)污染物通過電解液被吸附或吸收，然后污染物直接在電極上發(fā)生電化學(xué)轉(zhuǎn)換，或間接利用均相、異相氧化還原媒介對污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。如硫-氫-澳循環(huán)去除二氧化硫工藝中，用石墨作電極材料，使用不 分區(qū)的澳化氫電解槽 （見圖1），用Br2作媒介氧化SO2，反應(yīng)如下：SO2 +Br2 + 2H2O H2SO4 + 2HBr2HBr Br2 + H2電化學(xué)方法處理凈化廢氣的工藝可分為槽內(nèi)工藝和槽外工藝。槽內(nèi)工藝是氣體直接經(jīng)吸 附轉(zhuǎn)移到電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)并被處理；槽外工藝是氣體先被吸附到獨

12、立的容器中，再轉(zhuǎn)移至電化學(xué)反應(yīng)器中進(jìn)行處理，見圖2。精品資料推薦4國酎圖1不分區(qū)的擔(dān)膨HBr電解槽Fi5. 1 Nj division itctinghte electiccheuical cell of Ei電化學(xué)技術(shù)在土壤修復(fù)中的應(yīng)用利用電化學(xué)方法可以清除土壤或泥漿中的放射性物質(zhì)、重金屬、某些有機化合物或無機化合物。其做法是將電極插入土壤，加上直流電，以地下水或外加電解質(zhì)作電解液。主要反應(yīng)是陽極放氧和陰極放氫，離子則通過電遷移、對流和擴散在土壤中運動。若是重金屬離子，則在陰極沉積而除去，若是有機污染物則在多孔土壤中作電滲流動，然后通過外抽提系統(tǒng)（如離子交換或化學(xué)沉淀）加以去除。電化學(xué)方法清

13、除污染物的過程包括電遷移、電滲和電泳 3種機 制。2電化學(xué)技術(shù)在其他方面的應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用由于電化學(xué)分析法比較簡便、經(jīng)濟、分析靈敏度高，自20世紀(jì)60年代以來，電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速 ，迄今已在許多工業(yè)部門的環(huán)境監(jiān)測中獲得廣泛應(yīng)用。電化學(xué) 技術(shù)可作為傳感器、監(jiān)控器、控制器 ，用于H+、02、CO2、SO2、NO2、NH3、乙醇、 麻醉劑、神經(jīng)性氣體、金屬離子等的分析和控制 。電化學(xué)技術(shù)在清潔生產(chǎn)方面的應(yīng)用（1）化學(xué)電源等清潔產(chǎn)品化學(xué)電源是按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。人類轉(zhuǎn)化能量的傳統(tǒng)方式是熱機過程，然而熱機過程受卡諾循環(huán)的限制，不但能量轉(zhuǎn)化效率

14、低造成能源浪費，而且產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物 質(zhì)以及噪聲，造成大氣、水質(zhì)、土壤等污染，是環(huán)境保護所要解決的重要問題?；瘜W(xué)電源按活性物質(zhì)的保存方式可分為3種主要類型：一次電池、二次電池（蓄電池）和燃料電池。由于一次電池不易回收，不利于環(huán)保和節(jié)約地球有限資源，近年來人們將研究的重點 轉(zhuǎn)向二次電池和燃料電池的研究。燃料電池具有高效、環(huán)境友好、安全、可靠性高的優(yōu)點。燃料電池按電解質(zhì)可分為5類:堿性燃料電池（AFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、硫酸鹽燃料電池（PAFC）、熔融碳酸 鹽燃料電池（MCFC）和固體氧化物燃料電池（SOFC）。精品資料推薦20世紀(jì)汽車工業(yè)

15、的發(fā)展，使得全球的車輛數(shù)目激增至約6億輛，因此，研制新型車載電源，提供無污染低噪音的動力，構(gòu)建零排放綠色汽車，消除因使用汽油而造成的空氣污染成為環(huán)保領(lǐng) 域研發(fā)的前沿。（2）有機電合成有機電合成法就是借助電極傳遞電子，使有機物氧化或還原，而不采用化學(xué)品直接氧化或還原有機物。它是電化學(xué)、有機化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)工程的交叉學(xué)科。有機電合成具有反應(yīng)條件溫和（可在常溫常壓下進(jìn)行）、工藝流程簡單、易于實現(xiàn)自動控制、產(chǎn)物選擇性高、副產(chǎn)物少、 污染少甚至無污染等優(yōu)點，是綠色合成的必要途徑之一，被稱為綠色工業(yè)。（3）水的電化學(xué)消毒電化學(xué)方法制備消毒劑技術(shù)節(jié)能、廉價、無殘留、安全，可彌補氯消毒技術(shù)的不足。例如 ：目前,

16、廣泛用C12對水進(jìn)行消毒。但近來發(fā)現(xiàn)和鑒定出加氯的水中有上千個有機物，其中十個有致癌性，如六氯苯、多氯聯(lián)苯、三氯甲烷、1 ,2 -氯乙烯、四氯化碳等。顯然采用H2O2消毒較好，而H2O2 一般條件下可采用電解硫酸錢的方式或氧陰極直接還原法生產(chǎn)。電化學(xué)水 消毒技術(shù)可采用石墨或石墨纖維電極、金屬鈦電極、多孔碳、SnO2電極。人們還可以采用基于電吸附和陽極直接氧化細(xì)胞內(nèi)輔酶A的電化學(xué)消毒方法進(jìn)行消毒。也有報道采用吸附微生物和直接在陽極氧化細(xì)胞內(nèi)輔酶A的消毒方法。脩內(nèi)工喜格外工藝圖？電化學(xué)方法處理凈化廢氣工七流程Hg. 2 The piirfii燈的011 piooe然 ctf 砌3e pi bygtlud3電化學(xué)處理技術(shù)存在的問題及其解決方法存在問題：電化學(xué)技術(shù)作為一種“清潔技術(shù)”，盡管在國內(nèi)外都有了很大的發(fā)展，而且其中不少已達(dá)到 工業(yè)化水平，但是還在不斷發(fā)展中，特別是在電極的結(jié)構(gòu)材料、電極的選擇性、電極的活化22 等方面有待于進(jìn)一步提高，而且能源消耗量大，電極材料消耗過多，當(dāng)反應(yīng)物濃度不高時，處理 時間延長，電流效率降低。解決方法首先，在處理污染物時，應(yīng)該考慮將電化學(xué)技術(shù)與其他傳統(tǒng)的化學(xué)、物理方法相結(jié)合使用。以電沉積為例，當(dāng)系統(tǒng)中含有的