微電解作用機(jī)理及反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

姜國(guó)保

(中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院環(huán)境工程系,河北秦皇島066004)

微電解作用機(jī)理及反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

姜國(guó)保

(中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院環(huán)境工程系,河北秦皇島066004)

微電解技術(shù)是基于金屬腐蝕電化學(xué)所引起的物理、化學(xué)、電化學(xué)綜合作用,包括電極反應(yīng)、氧化還原、絮凝沉淀、微電場(chǎng)等,達(dá)到處理多種廢水的目的。由于微電解技術(shù)在工程放大后存在處理效果低、日常維護(hù)及運(yùn)行成本高、能耗高等問題,提出設(shè)計(jì)新型科學(xué)的微電解反應(yīng)器、微電解工藝與其他工藝聯(lián)用發(fā)展方向,使微電解技術(shù)成為真正的“環(huán)境友好型”技術(shù)。

微電解;機(jī)理;工藝

微電解又稱內(nèi)電解、零電解等。微電解技術(shù)首次應(yīng)用在印染廢水的治理,并取得了巨大的成功,從而為世界環(huán)保界所關(guān)注。微電解技術(shù)主要應(yīng)用機(jī)械工業(yè)中產(chǎn)生的價(jià)格低廉的廢鐵屑為原材料,有利于實(shí)現(xiàn)廢物的合理利用,達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的,是真正的“環(huán)境友好型”技術(shù)[1]。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于冶金、印染、化工、電鍍、制藥、造紙[2～11]等領(lǐng)域廢水的處理,并取得了較好的效果。與其它水處理技術(shù)相比,微電解技術(shù)具有運(yùn)行費(fèi)用低、工藝流程簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、普遍適應(yīng)性強(qiáng)等諸多特點(diǎn)。但是,該技術(shù)處理廢水的機(jī)理一直沒有得到認(rèn)識(shí)上的統(tǒng)一,在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中缺少理論支持。筆者從電極反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、絮凝沉淀作用、微電場(chǎng)作用四個(gè)方面論述了鐵碳微電解技術(shù)的作用機(jī)理,為實(shí)際運(yùn)行工作提供了理論依據(jù)。

1 微電解技術(shù)的基本原理

微電解技術(shù)是以工業(yè)鑄鐵屑為原料,基于金屬腐蝕電化學(xué)原理所引起的物理、化學(xué)、電化學(xué)綜合作用,達(dá)到處理多種廢水的目的。微電解技術(shù)主要利用鑄鐵屑表面化學(xué)成分的不均勻性以及金屬組織的不均勻性構(gòu)成的微原電池對(duì)廢水進(jìn)行處理。將具有不同電極電位的鑄鐵屑與其它金屬或非金屬直接接觸,在傳導(dǎo)性好的電解質(zhì)溶液(含Cu2+、Cr6+、Ni+等廢水)中通過形成的宏觀原電池及微觀原電池產(chǎn)生的電池效應(yīng)達(dá)到廢水處理的目的。

微電解的具體作用機(jī)理有以下幾種:

1.1 電極反應(yīng)

鑄鐵屑主要由純鐵(Fe)和碳化鐵(Fe3C)組成。其中 Fe3C以極小的顆粒分散在鐵屑內(nèi),由于兩者間存在明顯的氧化還原電位差,因此可形成無數(shù)個(gè)微原電池。在廢水中電極反應(yīng)如下:

陽(yáng)極(Fe):2Fe→2Fe2++4e-,Ф(Fe2+,Fe)=0.44 V

陰極(Fe3C):4H++4e-=[4H]→2H2,Ф(H+,H2)=0.00 V

當(dāng)廢水中有溶解氧存在時(shí):

O2+2H2O+4e-→4OH-,Ф(O2,OH-)=0.40 V

1.2 氧化還原作用

上述微電解電極反應(yīng)產(chǎn)生的新生態(tài)[H]、HO·、Fe2+等具有很強(qiáng)的氧化或還原能力。這些物質(zhì)能迅速與廢水中的污染物發(fā)生羥基取代反應(yīng)、脫氧反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)等諸多氧化或還原反應(yīng),從而破壞污染物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),改變其周圍環(huán)境,達(dá)到治理廢水的目的。

1.3 絮凝沉淀作用

廢水中的Fe2+被氧化為Fe3+,H+也被大量消耗,溶液p H值逐漸升高。在適合p H值條件下,微電解反應(yīng)體系中將產(chǎn)生大量 Fe(OH)2、Fe(OH)3等性能良好的絮凝劑。這些良好的絮凝劑對(duì)廢水中的膠體顆粒物、不溶性懸浮物等均具有良好的絮凝沉淀效果,以此達(dá)到廢水處理的目的。

1.4 微電場(chǎng)作用

鑄鐵屑與廢水接觸時(shí),碳的電位高為陰極,鐵的電位低為陽(yáng)極。它們之間可形成無數(shù)個(gè)微原電池,在其周圍形成一個(gè)電場(chǎng)。此時(shí)分散在廢水中的膠體粒子、極性分子、細(xì)小污染物在電場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生電泳,通過靜電力、表面能的作用被凝聚和富集,形成大顆粒后沉淀去除。

另外,李天鵬[12]等將微電解反應(yīng)體系分為一元、二元、三元(或以上)等體系。一元反應(yīng)是利用鑄鐵屑中純鐵和碳化鐵形成的無數(shù)微電池,產(chǎn)生電池效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的處理。二元反應(yīng)是向一元微電解反應(yīng)體系中投加另外一種金屬(如Cu)或非金屬(如C),或在填料表面鍍上適當(dāng)比例的另外一種還原電位高的金屬(如Ni、Ti、Pd),從而形成二元微電解反應(yīng)體系,使宏觀電池及微觀電池的數(shù)目成倍增加,達(dá)到提高處理效果的目的。三元(或上)反應(yīng)是繼續(xù)向二元微電解反應(yīng)體系中投加金屬或非金屬,構(gòu)成三元(或以上)微電解反應(yīng)體系,可使電子受體成倍增加,且污染物向電極表面的傳質(zhì)速率明顯加快,從而提高處理效率。

文善雄[13]等將微電解作用機(jī)理概括為:電場(chǎng)作用、電極反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)、鐵離子的絡(luò)和作用、物理吸附(在弱酸性溶液中,由于鑄鐵屑是一種多孔性的物質(zhì),與其他的微碳粒一樣,都具有較強(qiáng)的活性,能吸附多種金屬離子及廢水中的有機(jī)污染物,達(dá)到凈化廢水的目的。)、電子傳遞作用(鐵是生物氧化酶中細(xì)胞色素的重要組成部分,通過Fe2+、Fe3+之間的氧化還原反應(yīng)進(jìn)行電子傳遞。微電解出水中新生態(tài)的鐵離子能參與這種電子傳遞,對(duì)反應(yīng)有促進(jìn)作用)。

2 微電解技術(shù)研究的主要方向

2.1 設(shè)計(jì)新型科學(xué)的微電解反應(yīng)器

微電解技術(shù)雖得以在工程上廣泛應(yīng)用,但反應(yīng)器本身的缺陷致使工業(yè)廢水中常常存在工程放大后處理效果下降、日常維護(hù)及運(yùn)行成本高、能耗高、處理效果低等問題。普通的微電解反應(yīng)器存在著諸多不足之處,使反應(yīng)過程的混合、傳質(zhì)、擴(kuò)散不能正常進(jìn)行,從而增加總的投資費(fèi)用。然而微電解技術(shù)正因?yàn)樗牡湍芎?、高效率才得以廣泛應(yīng)用,所以改進(jìn)現(xiàn)有的微電解反應(yīng)器,設(shè)計(jì)出新型科學(xué)的微電解反應(yīng)器勢(shì)在必行。

現(xiàn)在也有一些新型的微電解反應(yīng)器。這些反應(yīng)器較普通的反應(yīng)器無論是能耗還是在板結(jié)問題上都有新的進(jìn)展。如磁混凝微電解反應(yīng)器[14]、曝氣固定床微電解反應(yīng)器[15]、滾筒式固定床微電解反應(yīng)器[16]、立式分級(jí)膨脹床微電解反應(yīng)器[17],都是新型的固定床微電解反應(yīng)器。相比較而言,滾動(dòng)床處理效果較好,但動(dòng)力消耗大;立式分級(jí)膨脹床反應(yīng)動(dòng)力效果較好,但其設(shè)計(jì)復(fù)雜。

另外,還有一些新型的流化床微電解反應(yīng)器。如鐵碳微電解流化床[18]、轉(zhuǎn)鼓式微點(diǎn)解流化床[19]、臥式分級(jí)攪拌微電解流化床[20]、氣升式微點(diǎn)解環(huán)流反應(yīng)器[21]等。這些新型流化床微電解反應(yīng)器各有特點(diǎn),混合動(dòng)力各不相同。分級(jí)攪拌混合效果好,有效防止了死角;下部曝氣可促進(jìn)流化效果;氣升式環(huán)流反應(yīng)器動(dòng)力設(shè)備簡(jiǎn)單、維修方便。

綜上所述,各種新型的反應(yīng)器都有各自的優(yōu)點(diǎn),但是也客觀存在一些缺陷。有的能有效防止板結(jié),但高能耗不可避免;有的反應(yīng)器綜合處理效果好,但是存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、安裝維修不方便等缺陷。所以,低能耗、高效率、動(dòng)力設(shè)備簡(jiǎn)單、占用空間小、維修方便的微電解反應(yīng)器是今后研究與研發(fā)的重要方向。

2.2 微電解工藝與其他工藝聯(lián)用

將微電解技術(shù)與其它工藝聯(lián)用不僅能夠提高污染物的去除率,而且相對(duì)運(yùn)行成本也降低了很多。例如一些生物法處理廢水時(shí)常常面臨B/C不足的情況,此時(shí)用微電解工藝做預(yù)處理,將大大增加廢水的可生化性。徐續(xù)[22]等采用微電解與Fenton法結(jié)合的工藝及進(jìn)行某化工廢水的處理。實(shí)驗(yàn)表明,進(jìn)水p H值為2～4時(shí),控制好 Fenton進(jìn)水的 H2O2和 Fe2+濃度,總停留時(shí)間3 h后,廢水中硝基苯類化合物的去除率可達(dá)90%,苯胺類化合物的去除率可達(dá)70%,COD去除率可達(dá)65%以上,B/C可由0.1升至0.3以上。賈丹[23]等對(duì)采用微電解-UASB-SB工藝處理企業(yè)排放的高濃度酸性糠醛廢水進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,采用以活性炭和廢鐵屑為陰、陽(yáng)極的微電解預(yù)處理糠醛廢水,CODcr的去除率達(dá)到30%,再利用厭氧一好氧法進(jìn)一步處理微電解出水,COD-cr、BOD5總?cè)コ蔬_(dá)到99%以上。王茹[24]采用鐵炭微電解—Fenton(芬頓)—PACT(生物炭法)法處理染料中間體生產(chǎn)廢。實(shí)驗(yàn)表明,在進(jìn)水COD為8 000mg/L左右時(shí),經(jīng)該工藝處理后出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到污水處理廠接管標(biāo)準(zhǔn),其中COD去除率超過89%。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵碳微電解工藝已成功應(yīng)用于多行業(yè)廢水的處理工程。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該工藝可去除多種廢水中的多種污染物。該工藝工藝過程簡(jiǎn)單,投資費(fèi)用低,不需額外投加化學(xué)藥劑,污泥產(chǎn)生量低。該工藝是“以廢治廢”的“環(huán)境友好”型工藝,具有極為寬廣的工業(yè)應(yīng)用前景。鐵碳微電解工藝的普通適應(yīng)性強(qiáng),能處理多種廢水。今后微電解工藝必將成為處理各種工業(yè)廢水的一大核心工藝,一種低能耗、高效率、動(dòng)力設(shè)備簡(jiǎn)單、占用空間小、維修方便的微電解反應(yīng)器行業(yè)也必將成為一項(xiàng)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。

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Research Actualities of the Mechanism and Reactor of Micro-electrolysis

Jiang Guobao
(Environmental Management College of China,Qinhuangdao Hebei 066004)

The micro-electrolysis is a technique based on the integrative action of physics,chemistry and electrochemistry,including electrode reaction,oxidation-reduction,flocculation sedimentation,micro-electric field etc.,which can achieve the goal of treating different wastewater.Due to the disadvantages of micro-electrolysis technique w hen the project is magnified,such as bad effect,high cost of daily maintenance and running,high energy consumed etc.,the article p resented to design a new scientific micro-electrolysis reactor,and combine micro-electrolysis technique with other techniques,and make micro-electrolysis technique to be the real entironment-friendly technique.

micro-electrolysis;mechanism;technique

X703

A

1008-813(2010)06-0065-03

10.3969/j.issn.1008-813X.2010.06.019

2010-09-14

姜國(guó)保(1989—),男,山東德州人,中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)在讀。