吴双荣 高磊 王昊
华北理工大学 河北 唐山 063210
摘要：电化学法是一种新型的绿色高效处理方法，该方法对于污水中的有机物具有很好的去除效果，并且电化学工艺的设备体积相对较小，适用性强，兼容性好，可以和其他工艺联合适用，增强污水处理的效果，具有良好的发展前景。本文对电化学水处理技术进行了介绍，分析了电化学水处理技术的研究现状，并提出了电化学法目前应用所遇到的问题和发展方向。
关键词：电化学技术；污水；水处理技术
近年来，我国的污水产量正逐渐增大，可是由于资金、能源等方面的限制，污水回用率很低，虽然经过不断努力，污水处理效率有所提升，但仍然和发达资本主义国家的处理结果有一定的差距，处理后的污水对于环境仍有较大危害，电解污水工艺去除污水中的有机物是近年来兴起的新型技术，在排污标准日益严格的今天[1]，电化学处理污水技术得到了越来越多的重视，电化学处理工艺优点不断显现出来。电化学法作为一种环境友好技术，对于污水中的有机物具有很好的去除效果，并且电化学工艺的设备体积相对较小，适用性强，兼容性好，可以和其他工艺联合适用。目前很多学者研究电化学法对各种复杂污废水的处理上，如纺织污水、含油污水[2]、垃圾渗滤液和污泥消化液等。电化学法在生活污水处理方面起步较晚，主要原因是生活污水的产量大，但发展较为迅速。
1 电化学水处理技术的基本原理
电化学水处理技术的基本原理就是使污染物在电极上发生电化学反应及由此引起的一系列物理化学反应，在反应过程中污染物转化成沉淀、气体等新的物质，从而使水中的有害物质减少或完全去除。对于电化学方法处理污水，其中最基础的理论就是氧化还原作用。电化学水处理技术主要研究去除污水中的溶解性有机物和对重金属的处理，一般可以分为直接电解和间接电解。
1.1直接电解
直接电解是指污水中有毒有害物质在电极上直接被氧化或还原而从中去除。污染物在阳极和阴极分别发生不同的反应。污染物在阳极表面氧化，从而转化成毒性较小或易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。污染物在阴极表面还原，从而达到去除污染物的效果，特别是对污水中重金属的处理。
1.2间接电解
间接电解是指利用电化学产生的氧化还原物作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性更小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程是指氧化还原物在电解过程中可电化学再生和循环使用。不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质，如具有强氧化性的氯酸盐和O3等，氧化有机物的过程还可以利用电化学反应产生强氧化性的中间体，包括溶剂化电子、O2－等自由基。
2 电化学水处理技术主要方法
2.1电化学氧化法
电化学氧化法即直接在阳极上发生电解反应，使反应物失去电子。直接阳极氧化过程会有氧气析出，由于氧的产生会使电流产生效率降低，会使电流利用率下降，电能利用率低。电化学法去除污水中的有害物质是在电极上直接进行氧化还原反应，或在电极表面产生具有极强失电子能力的物质，使得废水中的有害物质被氧化，从而在一定程度上达到净化水中的有害物质的目的。
1963年，Beer等人开发出了形稳阳极(DSA)，即在金属基体(例如Ti)上沉积一层几微米厚的金属氧化物膜。这种电极具有良好的稳定性和催化活性，其中的二氧化铅电极，具有析氧过电位高、对有机污染物的电催化降解活性强、耐蚀性和导电性较好等特点，被广泛应用于化工生产、水污染物处理和阴极保护等领域。二氧化铅电极也有很好的降解有机污染物的能力，可以提高污染物的可生化降解性，为后续的深度处理提供方便。
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舒欣等人采用电化学氧化法处理低浓度模拟氨氮废水，研究了氨氮初始浓度、电流密度、氯离子浓度对氨氮和总氮的影响。结果表明：当氨氮初始浓度在20mg•L-1时，电流密度5.0mA•cm-2，氯离子浓度300mg•L-1时氨氮和总氮可在短时间内达到国家的排放标准。李德生等人利用电化学方法对污水处理厂尾水进行深度处理，总N、NO3－—N去除率分别达到54. 90%和72.8%。
2.2 电化学还原法
电化学还原法即电解时电解槽上的阴极得到电子，或者间接还原，利用还原反应，又或利用还原反应的产物，去除污水中存在的有机污染物。电还原法用于重金属废水的处理属于阴极还原法，阳极采用惰性电极。电化学法中有害物质大多是在反应器中的阴极上发生反应，得到一定量的电子，利用还原作用使污水中的有害物质发生反应。电还原法不仅能够去除污水中的重金属，处理后又可直接进行回收从而得到纯金属。
熊长齐等人利用电还原法处理污水中的重金属Cd，研究了电解电压、电解时间、溶液PH值和离子强度对污水中重金属Cd2+的影响。结果表明：当电压为40 V时，能使重金属废水中Cd2+的去除率达到95.60 %；在电解开始阶段，随着电解时间的增加，污水中Cd2+的含量浓度快速下降，最后趋于平缓甚至略有回升；当PH为6～7时，对Cd2+有较高的去除率，而在酸性条件下，电解去除重金属Cd2+的效率降低，达不到国家污水排放标准；初始重金属Cd2+溶液的离子强度增大，Cd2+去除率逐渐增大。
2.3三维电极
三维电极即在传统二维电解槽的两电极之间装填粒状或粉状填料(通常为电位较高的活性炭和电位较低的铁屑)，该填料在电场影响下形成大量微小电极，因不同于传统的阴、阳两极，故被称为第三维电极。阴极、阳极及第三维电极构成了三维电极技术的核心。三维电极产生的Fe2+和[H]能够改变有机物的结构和特性，使复杂有机物发生断链或者开环。相似于电催化氧化作用机理，三维电极法可分为直接氧化、间接氧化以及填料表而的电吸附催化氧化。
Xiuping Zhu等人探究活性炭吸附协同电化学氧化处理废水的效果，与二维电极相比，活性炭同BDD所组成的3D-BDD对COD的降解率提高了2～7倍。测试发现，三维电极系统氧化峰电流迅速增加，说明发生电催化氧化的场所由电极/溶液界而转移到拥有更大比表面积的活性炭表面。活性炭表面的吸附氧能够较容易地被还原为H2O2，进而分解为•OH。•OH的高密度产率成为COD降解率迅速增加的一个重要原因。进一步研究表明：吸附动力学参数并没有随时间推移而下降，主要原因可能是活性炭在电场作用下发生极化而产生区别于物理和化学吸附的电化学吸附。Can Wang等人对比了三维电极和二维电极处理含低污染物废水的效果，相似条件下三维电极对COD的去除效果提高了近1倍，而电量消耗由300 kW• h/kg下降到180 kW• h/kg。电流密度较低时，电子氧化为控速步骤；电流密度较高时，质量传递制约反应速率。由于三维电极反应器中填料具有较大的比表面积，并且传质速度快,因此三维电极更适合在高电流密度条件下运行。
3 结语
电化学法已经应用于工业污水和生活污水的处理工艺中。电化学水处理技术可利用其能够杀菌消毒的特点应用于中水回用前段，以满足日益提高的工业废水回用率的要求。虽然电化学法可广泛地应用于各种来源的废水处理工艺中，在实际应用中有许多优势，但也存在一些缺点。由于废水水质和目标污染物属性差异较大，反应器无法进行模式化和标准化设计，而且电化学方法能源消耗量大、运行成本高。故需要优化电极结构及反应设备，使电化学水处理技术能够广泛地应用于废水处理中，并进一步推进其在应用中的实用性和经济性，是其未来研究的方向。随着科学技术的进步和研究人员的探索，电化学水处理技术将会不断的发展进步。
参考文献
[1]董海涛, 闫艳, 李哲,等. 污水微电解处理技术应用研究[J]. 科技传播, 2011(6):155+161.
[2]王丽敏, 李秋荣, 石晴. 电絮凝法处理含油废水的研究[J]. 化工科技, 2005, 13(3):30-33.
论文作者:吴双荣,高磊,王昊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/4
标签：电化学论文; 电极论文; 污水论文; 污染物论文; 还原法论文; 有机物论文; 重金属论文; 《防护工程》2018年第25期论文;