陳一鳴

電絮凝技術(shù)去除水中無(wú)機(jī)污染物的新興應(yīng)用

陳一鳴

（沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

電絮凝法（EC）具有效率高、去除污染物種類(lèi)范圍廣、設(shè)備操作及維護(hù)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為處理廢水中懸浮顆粒、可溶性無(wú)機(jī)污染物以及有機(jī)污染物等的有效方法。EC方法的性能取決于幾個(gè)重要參數(shù)，包括電流密度、pH值、運(yùn)行時(shí)間和攪拌速度。強(qiáng)調(diào)了EC技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)的集成，以達(dá)到更高的去除效率。對(duì)電絮凝技術(shù)的主要和次要反應(yīng)進(jìn)行了討論，并提出了幾個(gè)重要的操作參數(shù)、EC技術(shù)的新興設(shè)計(jì)、運(yùn)行條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。建議未來(lái)研究其他參數(shù)對(duì)EC技術(shù)的影響。

電絮凝法；無(wú)機(jī)污染物；絮凝劑

提供足夠的清潔水是人類(lèi)面臨的最重要的自然資源問(wèn)題之一。無(wú)機(jī)污染物可能會(huì)給人類(lèi)健康造成相當(dāng)大的問(wèn)題[1]。如果無(wú)機(jī)污染物的濃度（鉻、鋅、鉛、汞、砷和其他重金屬）超過(guò)世界衛(wèi)生組織規(guī)定的水平，還將對(duì)公共衛(wèi)生和環(huán)境產(chǎn)生影響[2]。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)可靠和具有成本效益的方法來(lái)處理各種類(lèi)型的水和廢水[3]。一般來(lái)說(shuō)，有幾種方法是在發(fā)表的研究中去除各種無(wú)機(jī)污染物[4]。這些技術(shù)可分為物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)，包括沉淀、蒸發(fā)、膜分離、離子交換和吸附[5]技術(shù)等。然而，上述大多數(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)為有效地去除小顆粒，所使用的化學(xué)品易獲得，缺點(diǎn)為產(chǎn)生高污泥，處理時(shí)使用一些化學(xué)品成本昂貴等。目前，與其他物理和化學(xué)工藝相比，對(duì)受污染水的電化學(xué)處理技術(shù)的需求更高。這些方法具有節(jié)能、耐用性、自動(dòng)化能力、可用性和成本效益[6]。有幾種電化學(xué)技術(shù)可有效去除水中的無(wú)機(jī)物，包括電浮選（EF）、電氧化（EO）和電絮凝（EC）。EC方法是通過(guò)電化學(xué)過(guò)程消除污染物的最常見(jiàn)機(jī)制[7]。EC工藝于1946年在美國(guó)首次用于去除飲用水中的顏色。然而，調(diào)查顯示，由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施不足和環(huán)境意識(shí)水平較低，EC并不適用于工業(yè)。1980年，EC成功用于北美的采礦和金屬加工業(yè)[8]。在過(guò)去的10年里，人們對(duì)不同類(lèi)型的污染物進(jìn)行了一些廣泛的研究[9]。EC過(guò)程包括溶解犧牲陽(yáng)極，以提供活性金屬氫氧化物作為一種強(qiáng)絮凝劑，使污染物絮凝，然后將它們分離[10]。EC具有傳統(tǒng)絮凝和電化學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)，在EC中不需要添加劑，因?yàn)殡娮邮侵饕噭?。與化學(xué)絮凝相比，EC技術(shù)也被認(rèn)為是一種創(chuàng)新。然而，以往使用EC的研究大多是基于由靜電電極和磁性攪拌器攪拌溶液的傳統(tǒng)反應(yīng)器[11]。傳統(tǒng)電極的最大缺點(diǎn)是它們需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間才能有效地處理污染物[12]。本文主要目的是探究EC技術(shù)在處理水中無(wú)機(jī)污染物方面的潛力，概述了在電極制備和配置方面的最新進(jìn)展。

1 電絮凝技術(shù)的概念

電絮凝（EC）技術(shù)在從各種水源（城市水、廢水、湖水、河水和海水）中去除污染物（有機(jī)和無(wú)機(jī)）方面具有很高的潛力，已證明適用于高鹽水預(yù)處理或海水淡化以降低污染損壞膜的成本[13]。關(guān)于EC技術(shù)的文獻(xiàn)表明，EC僅以實(shí)驗(yàn)室和試點(diǎn)工廠的規(guī)?？捎肹14]。因此，在更大規(guī)模上實(shí)施EC技術(shù)需要進(jìn)一步的關(guān)注。從從業(yè)者的角度來(lái)看，這可能歸因于之前的大多數(shù)工作，他們使用了基于由靜電電極和磁性攪拌器組成的傳統(tǒng)反應(yīng)器的EC技術(shù)來(lái)攪拌溶液。傳統(tǒng)電極的主要缺點(diǎn)是它們需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間才能有效地處理污染物。長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)可能導(dǎo)致電極表面被動(dòng)積累的增加（鈍化現(xiàn)象的發(fā)生）和污泥的產(chǎn)生。電極鈍化是EC技術(shù)最常見(jiàn)的缺點(diǎn)之一，它會(huì)降低水處理性能，電極鈍化增加了EC電池的電阻，從而增加了所需的電位，它會(huì)導(dǎo)致整體能量和電極材料的額外消耗。

2 無(wú)機(jī)污染物的去除機(jī)制

在過(guò)去的幾十年里，許多研究澄清了從各種水源中去除無(wú)機(jī)污染物的固有過(guò)程[15]。一般來(lái)說(shuō)，是通過(guò)還原劑的電氧化在溶液相原位形成絮凝體。該方法與傳統(tǒng)的水處理絮凝機(jī)制密切相關(guān)[16]。EC技術(shù)是一種電化學(xué)程序，使用最小的電荷來(lái)去除不添加化學(xué)物質(zhì)的污染物。帶電粒子和離子被具有相反電荷的離子中和，導(dǎo)致沉淀。形成絮凝劑的過(guò)程包括一些同時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)[17-18]。EC處理的機(jī)制被分為兩種反應(yīng)。根據(jù)電流密度，產(chǎn)生的離子會(huì)進(jìn)一步形成相應(yīng)的羥氧化物。其中一個(gè)離子用M表示，即鋁、鐵、鈦、鋅、鋼或不銹鋼。M2+通過(guò)陽(yáng)極處的M氧化作用溶解在處理后的廢水中。Al(OH)3、Fe(OH)2、Ti(OH)2、Zn(OH)2、St(OH)2和SS(OH)2由下面的方程（1）至（7）形成。這些方程式說(shuō)明了在陽(yáng)極處的氧化反應(yīng)：

SS→SS2++ 2e?； （1）

Zn→Zn2++ 2e?； （2）

Mg→Mg2++ 2e?； （3）

Ti→Ti2++ 2e?； （4）

Fe→Fe2++ 2e?； （5）

Fe→Fe3++ 3e?； （6）

Al→Al3++ 3e?。 （7）

在高陽(yáng)極化電位的情況下，陰極中的水還原反應(yīng)產(chǎn)生了氫氣，如式（8）、式（9）所示：

2H2O + 2e?→2OH?+ H2； （8）

2H++2e?→ H2。 （9）

還原反應(yīng)產(chǎn)生的OH?特別重要，因?yàn)殡娊獬刂衟H的增加有助于溶液中各種金屬(M)羥基配合物的產(chǎn)生，還原反應(yīng)Zn2+和Mg2+在陰極上以方程式如式（10）和式（11）所示：

Zn2++ 2H2O→Zn(OH)2+ 2H?； （10）

Mg2++ 2H2O→Mg(OH)2+ 2H?； （11）

此外，非晶形絮凝劑絮凝體形成的高表面積也會(huì)吸附可溶性離子或捕獲膠體通過(guò)第三種方法從水溶液中提取顆粒。聚集物的產(chǎn)生依賴于由范德瓦爾斯和雙層力的組合組成的分子間相互作用[19]。最簡(jiǎn)單的準(zhǔn)則是對(duì)稱的方法，其中雙層力是排斥性的，范德華力是吸引人的。然后，吸引力必須超過(guò)排斥力才能建立聚集體。此外，由于雙層力的雙重存在，異質(zhì)聚集機(jī)制要復(fù)雜得多，這可能是吸引、排斥，或兩者共同存在[20]。在EC配置中使用了幾個(gè)組件。一般來(lái)說(shuō)，在所有的Fe(III)中，F(xiàn)e(OH)3和Al(OH)3是已知的有利的絮凝劑成分，主要負(fù)責(zé)消除無(wú)機(jī)污染物。與其他材料或化學(xué)品相比，它們能有效地去除各種污染物，并具有成本效益。因此，它們通常被用作陽(yáng)極和陰極，以產(chǎn)生表面復(fù)合物。Al3+離子與水反應(yīng)形成陰離子、陽(yáng)離子或中性配合物如下：

Al3++ H2O→Al(OH)2++H+； （12）

Al(OH)2++H2O→Al(OH)2+H+； （13）

Al(OH)2++H2O→Al(OH)3++H+。 （14）

陽(yáng)離子在水中水解形成氫氧化物，有不同的羥基配合物，包括單體和聚合物，如Al(OH)2+、Al2(OH)24+,、Al3(OH)45+、Al6(OH)153+等。因此，鋁羥基是最有效的吸附劑，具有吸附各種水資源中的有毒金屬的能力，同時(shí)在這些過(guò)程中也沒(méi)有可能出現(xiàn)次生水污染物。

3 無(wú)機(jī)污染物的去除

電絮凝是一種電化學(xué)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)犧牲陽(yáng)極的電溶解產(chǎn)生絮凝劑。EC過(guò)程是基于膠體系統(tǒng)的形成和聚集，而絮凝劑的使用增強(qiáng)了其進(jìn)一步的絮凝。EC主要通過(guò)兩種機(jī)制去除無(wú)機(jī)污染物：表面絡(luò)合和靜電吸引。去除機(jī)理是，金屬氫氧化物凝凝劑的不溶性絮凝體自發(fā)形成。其他過(guò)程包括吸附和污染物金屬氫氧化物直接沉淀。絡(luò)合機(jī)理表明，重金屬可以作為絮凝劑水合遷移的配體，即Al(OH)3或Fe(OH)3來(lái)創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的曲面。這些配合物的形成伴隨著主要聚集體的形成和絮凝劑的沉淀，允許從水相中分離出無(wú)機(jī)污染物。當(dāng)污染物與氫氧化鋁相互作用時(shí)，水解的鋁離子可以形成大的Al-O-Al-OH網(wǎng)絡(luò)，可以化學(xué)吸附污染物，然后形成沉淀，促進(jìn)在反應(yīng)器中污染物的電遷移、運(yùn)輸和沉淀。帶電的無(wú)機(jī)污染物也可以通過(guò)沉積在相對(duì)帶電的電極上來(lái)去除[21]。

4 參數(shù)的影響

考慮到EC工藝仍僅在實(shí)驗(yàn)室和試點(diǎn)工廠的規(guī)模上可用，建議未來(lái)的研究應(yīng)集中在影響參數(shù)的優(yōu)化上，從而提高EC的大規(guī)模應(yīng)用潛力。

4.1 轉(zhuǎn)速和攪拌器的速度

攪拌的目的是有效地將電極溶液產(chǎn)生的絮凝物質(zhì)轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器[22]。攪拌速度也可以使設(shè)備變量，如溫度和pH均勻化。高速度會(huì)破壞反應(yīng)器絮凝體，形成難以從水中提取的小絮凝體。ALJABERI[23]等分析了轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)器輸出的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流密度為0.5 mA·cm-2時(shí)，100 r·min-1的去除效率約為74%，150 r·min-1為85%，250 r·min-1為69%。AL-RAAD[24]等研究了攪拌速度對(duì)硫酸鹽的影響，當(dāng)速度從 250 r·min-1提高到500 r·min-1時(shí)，達(dá)到了最大的處理性能（高達(dá)90%的去除率）。攪拌從速度500 r·min-1增加到750 r·min-1時(shí)，去除率下降到80%。他們更換旋轉(zhuǎn)相位陽(yáng)極代替磁性攪拌器。這一作用將產(chǎn)生一種均勻的溶液，將電極溶解產(chǎn)生的絮凝材料有效地轉(zhuǎn)移到反應(yīng)器中。他們發(fā)現(xiàn)，隨著反應(yīng)堆的高旋轉(zhuǎn)速度，水難以去除的小絮凝體理論上可能會(huì)被高速摧毀。

4.2 pH溶液的影響

pH被認(rèn)為是可以直接影響EC過(guò)程性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。在給定材料的最優(yōu)pH溶液下，獲得了最佳的污染物消除效率。EC方法下的絮凝機(jī)制在很大程度上受到pH的調(diào)控，可以通過(guò)調(diào)節(jié)溶液pH來(lái)提升污染物的去除效果[25]。鋁和鐵金屬鹽可以產(chǎn)生多價(jià)離子，如Al3+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+以及各種水解產(chǎn)物。Fe(II)是一種弱絮凝劑，在絮凝過(guò)程中通常被氧化為Fe(III)以達(dá)到更高的性能。此外，廣泛使用的金屬鹽是堿性鋁、硫酸鐵和氯化物。金屬陽(yáng)離子以單核和多核氫氧化物的形式流入溶液，這取決于溶液的pH。Al(OH)3和Fe(OH)3是水溶性差的中性非定形金屬羥氧化物[26]。

5 結(jié) 論

近年來(lái)，EC技術(shù)得到了極大的發(fā)展。EC是一種快速、易于使用的污染物去除技術(shù)，不需要添加化學(xué)成分或工藝控制。綜述發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)反應(yīng)相比，以往的研究更側(cè)重于消除無(wú)機(jī)污染物和開(kāi)發(fā)EC反應(yīng)。然而，最近的研究表明，現(xiàn)代反應(yīng)堆中污染物的去除和能源的使用得到了增強(qiáng)。為了確定最可持續(xù)的方法，使用了Mg、Ti、Zn、Cu等替代材料作為EC方法的犧牲電極。然而，在成功實(shí)施之前仍需要進(jìn)一步的研究，主要使用鐵或鋁陽(yáng)極，EC獲得了更高的去除效率，成本最低，可達(dá)沉降效果最佳和最低的污泥生產(chǎn)特性。由于其眾多的好處，EC方法仍有待廣泛的研究。雖然EC技術(shù)在去除各種水源中的污染物方面顯示出了很高的潛力，但這項(xiàng)技術(shù)仍缺乏更大規(guī)模的實(shí)施。

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Emerging Application of Electroflocculation Technology to Remove Inorganic Pollutants in Water

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

The electric flocculation method has the advantages of high efficiency, wide range of removing pollutants, simple equipment operation and maintenance, and easy automation, and it has become an effective method to treat suspended particles, soluble inorganic pollutants and organic pollutants in wastewater.The performance of the EC method depends on several important parameters, including the current density, the pH value, the running time, the distance between the electrodes, and the stirring speed. In this paper, the integration of EC technologies with other advanced technologies to achieve higher removal efficiency was emphasized.The primary and secondary reactions of electroflocculation techniques were also discussed, and several important operating parameters, emerging design of EC techniques, operating conditions, and technical-economic analyses were presented.It was recommended to study the impact of other emerging parameters on EC technologies.

Electroflocculation method; Inorganic pollutants; Flocculant

2021-11-08

陳一鳴（1998-），男，滿族，遼寧省沈陽(yáng)市人，碩士研究生在讀，研究方向：土木水利（市政工程方向）。

TQ085.2

A

1004-0935（2022）06-0809-04