姜國保

(中國環(huán)境管理干部學院環(huán)境工程系,河北秦皇島066004)

微電解作用機理及反應器研究現(xiàn)狀

姜國保

(中國環(huán)境管理干部學院環(huán)境工程系,河北秦皇島066004)

微電解技術是基于金屬腐蝕電化學所引起的物理、化學、電化學綜合作用,包括電極反應、氧化還原、絮凝沉淀、微電場等,達到處理多種廢水的目的。由于微電解技術在工程放大后存在處理效果低、日常維護及運行成本高、能耗高等問題,提出設計新型科學的微電解反應器、微電解工藝與其他工藝聯(lián)用發(fā)展方向,使微電解技術成為真正的“環(huán)境友好型”技術。

微電解;機理;工藝

微電解又稱內(nèi)電解、零電解等。微電解技術首次應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)保界所關注。微電解技術主要應用機械工業(yè)中產(chǎn)生的價格低廉的廢鐵屑為原材料,有利于實現(xiàn)廢物的合理利用,達到可持續(xù)發(fā)展的目的,是真正的“環(huán)境友好型”技術[1]。目前該技術已廣泛應用于冶金、印染、化工、電鍍、制藥、造紙[2～11]等領域廢水的處理,并取得了較好的效果。與其它水處理技術相比,微電解技術具有運行費用低、工藝流程簡單、使用壽命長、普遍適應性強等諸多特點。但是,該技術處理廢水的機理一直沒有得到認識上的統(tǒng)一,在實際運行當中缺少理論支持。筆者從電極反應、氧化還原反應、絮凝沉淀作用、微電場作用四個方面論述了鐵碳微電解技術的作用機理,為實際運行工作提供了理論依據(jù)。

1 微電解技術的基本原理

微電解技術是以工業(yè)鑄鐵屑為原料,基于金屬腐蝕電化學原理所引起的物理、化學、電化學綜合作用,達到處理多種廢水的目的。微電解技術主要利用鑄鐵屑表面化學成分的不均勻性以及金屬組織的不均勻性構(gòu)成的微原電池對廢水進行處理。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)生的電池效應達到廢水處理的目的。

微電解的具體作用機理有以下幾種:

1.1 電極反應

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)個微原電池。在廢水中電極反應如下:

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

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

當廢水中有溶解氧存在時:

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產(chǎn)生的新生態(tài)[H]、HO·、Fe2+等具有很強的氧化或還原能力。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、脫氧反應和電子轉(zhuǎn)移反應等諸多氧化或還原反應,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,以此達到廢水處理的目的。

1.4 微電場作用

鑄鐵屑與廢水接觸時,碳的電位高為陰極,鐵的電位低為陽極。它們之間可形成無數(shù)個微原電池,在其周圍形成一個電場。此時分散在廢水中的膠體粒子、極性分子、細小污染物在電場作用下會產(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]等將微電解反應體系分為一元、二元、三元(或以上)等體系。一元反應是利用鑄鐵屑中純鐵和碳化鐵形成的無數(shù)微電池,產(chǎn)生電池效應實現(xiàn)對廢水的處理。二元反應是向一元微電解反應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體系,使宏觀電池及微觀電池的數(shù)目成倍增加,達到提高處理效果的目的。三元(或上)反應是繼續(xù)向二元微電解反應體系中投加金屬或非金屬,構(gòu)成三元(或以上)微電解反應體系,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]等將微電解作用機理概括為:電場作用、電極反應、氧化還原反應、鐵離子的絡和作用、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,都具有較強的活性,能吸附多種金屬離子及廢水中的有機污染物,達到凈化廢水的目的。)、電子傳遞作用(鐵是生物氧化酶中細胞色素的重要組成部分,通過Fe2+、Fe3+之間的氧化還原反應進行電子傳遞。微電解出水中新生態(tài)的鐵離子能參與這種電子傳遞,對反應有促進作用)。

2 微電解技術研究的主要方向

2.1 設計新型科學的微電解反應器

微電解技術雖得以在工程上廣泛應用,但反應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、日常維護及運行成本高、能耗高、處理效果低等問題。普通的微電解反應器存在著諸多不足之處,使反應過程的混合、傳質(zhì)、擴散不能正常進行,從而增加總的投資費用。然而微電解技術正因為它的低能耗、高效率才得以廣泛應用,所以改進現(xiàn)有的微電解反應器,設計出新型科學的微電解反應器勢在必行。

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

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

綜上所述,各種新型的反應器都有各自的優(yōu)點,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;有的反應器綜合處理效果好,但是存在設計復雜、安裝維修不方便等缺陷。所以,低能耗、高效率、動力設備簡單、占用空間小、維修方便的微電解反應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,而且相對運行成本也降低了很多。例如一些生物法處理廢水時常常面臨B/C不足的情況,此時用微電解工藝做預處理,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)合的工藝及進行某化工廢水的處理。實驗表明,進水p H值為2～4時,控制好 Fenton進水的 H2O2和 Fe2+濃度,總停留時間3 h后,廢水中硝基苯類化合物的去除率可達90%,苯胺類化合物的去除率可達70%,COD去除率可達65%以上,B/C可由0.1升至0.3以上。賈丹[23]等對采用微電解-UASB-SB工藝處理企業(yè)排放的高濃度酸性糠醛廢水進行了試驗研究。研究結(jié)果表明,采用以活性炭和廢鐵屑為陰、陽極的微電解預處理糠醛廢水,CODcr的去除率達到30%,再利用厭氧一好氧法進一步處理微電解出水,COD-cr、BOD5總?cè)コ蔬_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。實驗表明,在進水COD為8 000mg/L左右時,經(jīng)該工藝處理后出水水質(zhì)指標達到污水處理廠接管標準,其中COD去除率超過89%。

3 結(jié)語

鐵碳微電解工藝已成功應用于多行業(yè)廢水的處理工程。實際運行結(jié)果表明,該工藝可去除多種廢水中的多種污染物。該工藝工藝過程簡單,投資費用低,不需額外投加化學藥劑,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)應用前景。鐵碳微電解工藝的普通適應性強,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、動力設備簡單、占用空間小、維修方便的微電解反應器行業(yè)也必將成為一項朝陽產(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

姜國保(1989—),男,山東德州人,中國環(huán)境管理干部學院環(huán)境工程專業(yè)在讀。