8種電化學水處理方法，值得收藏

電化學水處理技術包括電絮凝-電氣浮法、電滲析、電吸附、電芬頓、電催化高級氧化等技術，種類繁多，各自都有適用的對象和領域。

電絮凝法，實際上就是電氣浮法，因為絮凝的過程也伴隨著氣浮的發(fā)生，因此可合稱為“電絮凝-電氣浮法”。

該法通過外電壓作用下，產生的可溶性陽極產生陽離子體，陽離子能夠對膠體污染物發(fā)生凝聚效應。同時，陰極在電壓作用下的析出大量氫氣，氫氣在上浮的過程中能夠將絮體上浮，電凝聚法就這樣通過陽極的凝聚和陰極的絮體上浮實現污染物的分離和水的凈化。

以金屬為溶解性陽極(一般為鋁或鐵)，在電解時產生的Al³⁺或Fe³⁺離子生成電活性絮凝劑，來壓縮膠體雙電層使其脫穩(wěn)，以及吸附架橋網捕作用來實現的：

Al -3e→ Al³⁺或 Fe-3e→Fe³⁺  

Al³⁺+3H₂O→Al(OH)₃ +3H⁺或4 Fe²⁺+O₂+2H₂O→4 Fe³⁺+4OH^-

一方面形成的電活性絮凝劑M(OH)_n，被稱為可溶性多核羥基配合物，作為混凝劑能快速有效地凝聚污水中的膠體懸浮物(細微油珠和機械雜質)并“架橋”聯接，凝成 “大塊”而加速分離.另一方面膠體在Al鹽或Fe鹽等電解質作用下壓縮雙電層，因庫侖效應或凝結劑的吸附作用，導致膠體凝聚而實現分離，發(fā)生電絮凝劑。雖然電活性絮凝劑的電化學活性(壽命)僅幾分鐘，但對雙電層電位差影響極大，即對膠體粒子或懸浮微粒的凝聚作用極強。因而，其吸附能力與活度，比加入鋁鹽試劑的化學方法高得多，且用量少，成本低，不受環(huán)境、水溫及生物雜質的影響，亦不會發(fā)生鋁鹽與水的氫氧化的副反 應，因而所處理污水的酸堿度范圍就較寬。

另外，陰極表面釋放出的細小氣泡加速了膠體的碰撞和分離過程.陽極表面的直接電氧化作用和Cl^-轉化成活性氯的間接電氧化作用對水中溶解性有機物和還原性無機物有很強的氧化能力，陰極釋放出的新生態(tài)氫和陽極釋放出的新生態(tài)氧具有較強的氧化還原能力。

因此，電化學反應器內進行的化學過程是及其復雜的。在反應器中同時發(fā)生了電絮凝、電氣浮和電氧化過程，水中的溶解性膠體和懸浮態(tài)污染物在混凝、氣浮和氧化作用下均可以得到有效轉化和去除。

利用電解液中不同金屬組分的電勢差，使自由態(tài)或結合態(tài)的溶解性金屬在陰極析出。電沉積水處理法根據這種原理，能夠將廢水中的金屬離子通過這種無害的反應收回，非常綠色環(huán)保。通過電沉積法進行污水處理的關鍵在于選擇適宜的電勢。無論金屬處于何種狀態(tài)，均可根據溶液中離子活度的大小，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。因此，電沉積法水處理設備的核心往往在于設計合理高效的新型電極結構電解槽。這樣，就能夠水體中的不同污染物和不同生產狀況，選擇不同的電解槽進行處理。

廣義的電化學氧化實際上就是指電化學的整個過程，是根據氧化還原反應的原理，在電極上發(fā)生直接或者間接的電化學反應，從而將污染物從廢水中減少或去除。

而狹義的電化學氧化是特指陽極過程，在電解槽中放入有機物的溶液或懸浮液，通過直流電，在陽極上奪取電子使有機物氧化或是先使低價金屬氧化為高價金屬離子，然后高價金屬離子再使有機物氧化的方法。通常，有機物的某些官能團具有電化學活性，通過電場的強制作用，官能團結構發(fā)生變化，從而改變了有機物的化學性質，使其毒性減弱以至消失，增強了生物可降解性。

電化學氧化分為直接氧化和間接氧化兩種。直接氧化（直接電解）是指污染物在電極上直接被氧化而從廢水中去除，又可分為陽極過程和陰極過程。陽極過程就是污染物在陽極表面氧化而轉化成毒性較小的物質或易生物降解的物質，從而達到削減、去除污染物的目的。陰極過程就是污染物在陰極表面還原而得以去除，主要用于鹵代烴的還原脫鹵和重金屬的回收。

這一陰極過程，又可稱為電化學還原，是利用不銹鋼陰極或Ti基鍍Pt電極授予電子，相當于還原劑將Cr⁶⁺、Hg²⁺等重金屬離子還原沉積出來。高氧化態(tài)離子還原為低氧化態(tài)（六價鉻變?yōu)槿齼r鉻）；含氯有機物還原脫氯，轉化為低毒或無毒物質，提高生物可降解性：

R-Cl +H⁺+e →R-H + Cl^-

間接氧化（間接電解）是指利用電化學產生的氧化還原物質作為反應劑或催化劑，使污染物轉化成毒性更小的物質。間接電解分為可逆過程和不可逆過程?？赡孢^程（媒介電化學氧化）是指氧化還原物在電解過程中可電化學再生和循環(huán)使用。不可逆過程是指利用不可逆電化學反應產生的物質，如具有強氧化性的Cl₂、氯酸鹽、次氯酸鹽、H₂O₂和O₃等氧化有機物的過程，還可以利用電化學反應產生強氧化性的中間體， 包括溶劑化電子、·HO、·HO₂（超氧化氫自由基）、·O₂^-（超氧陰離子自由基）等自由基，降解消除水中的氰、酚以及COD、 S^2-等污染物，最終轉化為無害物質。

對于陽極直接氧化而言，如反應物濃度過低會導致電化學表面反應受傳質步驟限制;對于間接氧化，則不存在這種限制。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，但通過電極材料的選擇和電勢控制可使副反應得到抑制。

電化學氧化法對于海洋油田廢水、印染廢水、高濃度的滲濾液、富含氨氮和氰的廢水等有機物濃度高、組分復雜、難降解物質多、色度大的廢水，取得了較好的結果。電化學氧化技術借助具有電化學活性的陽極材料，能有效形成氧化能力極強的羥基自由基，既能使持久性有機污染物發(fā)生分解并轉化為無毒性的可生化降解物質，又可將之完全礦化為二氧化碳或碳酸鹽等物質。

20世紀70年代，前蘇聯的科學工作者把鐵屑用于印染廢水的處理，從此微電解法開始應用到廢水治理中。而我國從20 世紀80 年代開始這一領域的研究。隨著研究的深入，鐵碳微電解法處理廢水的工藝也日趨成熟。在難降解工業(yè)廢水的處理技術中，微電解技術正日益受到重視，并已在工程實際中得到廣泛應用。

微電解法原理同樣比較簡單，是利用金屬腐蝕原理，形成原電池對廢水進行處理的工藝。該法使用廢鐵屑為原料，無需消耗電力資源，具有“以廢治廢” 的意義。具體來講，微電解法的內電解柱內的往往使用廢鐵屑和活性炭等材料作為填充物，通過化學反應產生有較強還原性的Fe²⁺離子，能夠將廢水中某些具有氧化性質的成分還原；另外可以利用Fe(OH)₂絮凝性進行水處理；活性C具有吸附作用，可吸附有機物及微生物；因此，微電解法就是通過鐵-碳構成的原電池產生微弱電流，對微生物的生長和代謝具有刺激作用。內電解水處理法的最大優(yōu)點在于不消耗能源，而且該方法能夠將污水中的多種污染成分和色度去除，同時能提高難降解物的可生化性。微電解水處理技術一般作為其他水處理技術的預處理法或者補充方法結合使用，從而提高廢水的可處理性和可生化性。但與此同時，微電解水處理法也有缺點，最大的缺點是反應速度比較慢，反應器易阻塞，處理高濃度廢水比較困難。

鐵碳微電解技術作為一種新的廢水處理手段最初應用于印染廢水的處理，并取得良好的效果。另外在對造紙廢水、制藥廢水、焦化廢水、高鹽度有機廢水和電鍍廢水、石油化廢水、農藥廢水及含砷含氰廢水的治理等眾多富含有機物的廢水處理中也有大量研究與應用。在有機廢水的處理當中，通過新生態(tài)的亞鐵離子還原有機物中的氧化性基團有吸附、絮凝、絡合和電沉積等作用，微電解法不但可以去除其中有機物、還可以去除COD及提高可生化性，為進一步處理創(chuàng)造條件。

在實際應用中，鐵碳微電解法體現出了其較大的優(yōu)勢，前景較好，但同時也存在板結、pH 調節(jié)等問題，這些問題都限制了該工藝的進一步發(fā)展，這需要我們環(huán)境工作者做進一步的研究，為鐵碳微電解技術處理大規(guī)模的工業(yè)廢水創(chuàng)造更為有利的條件。

電滲析（ED）是在直流電場作用下，利用半透膜的選擇透過性，溶液中的帶電的溶質粒子（如離子）透過膜定向遷移，從水溶液和其他不帶電組分中分離出來，從而實現對溶液的濃縮、淡化、精制和提純的目的。目前電滲折技術己發(fā)展成一個大規(guī)模的化工單元過程，在膜分離領域占有重要地位。廣泛應用于化工脫鹽，海水淡化，食品醫(yī)藥和廢水處理等領域，在某些地區(qū)已成為飲用水的主要生產方法，具有能量消耗少，經濟效益顯著；預處理簡便，設備經久耐用；裝置設計與系統應用靈活，操作維修方便，工藝過程潔凈，藥劑耗量少，不污染環(huán)境，裝置使用壽命長，原水的回收率高（一般能達到65～80%）等優(yōu)點。

常見的電滲析技術有填充床電滲析（EDI，又稱電脫離子法）；倒極電滲析（EDR）；液膜電滲析（EDLM；高溫電滲析；卷式電滲析；無極水電滲析技術等。

電滲析可用于電鍍廢水、重金屬廢水等的處理，提取廢水中的金屬離子等，既能回收利用水和有用資源，又減少了污染排放。萬詩貴等自制離子膜電解槽研究了銅生產過程中鈍化液處理的可行性，結果發(fā)現，不僅可以回收其中的銅和鋅，而且將Cr³⁺氧化成Cr⁶⁺，再生了鈍化液。K.N.Njau則利用膜電解從鍍鎳廢液中電沉積出鎳。電滲析法與離子交換法結合從酸洗廢液中回收重金屬和酸的工藝已在工業(yè)上應用。王方設計的以陽樹脂為主的陰、陽樹脂分層填充的電去離子裝置，對重金屬廢水進行處理，可以實現重金屬廢水的回收和利用，達到閉路循環(huán)和零排放。電滲析還可以用于堿性廢水及有機廢水的處理。污染控制與資源化研究國家重點實驗室對采用離子膜電解法對處理環(huán)氧丙烷氯醇化尾氣堿洗廢水進行了研究。在電解電壓5.0V時，循環(huán)處理3h，廢水COD去除率可達78%，廢水中堿回收率可達73.55%，為后續(xù)生化單元起到良好的預處理作用。齊魯石油化工公司利用電滲析法處理高濃度復合有機酸廢水，濃度為3%～15%，無廢渣及二次污染，得到的濃溶液含酸20%～40%，可以回收處理，廢水中含酸量可降至0.05%～0.3%。川化股份有限公司采用特殊電滲析裝置處理冷凝廢水，最大處理量為36t/h，濃水中硝酸銨體積百分比含量為20%，回收率達96%以上，合格淡水排放水中氨氮質量分數含量≤40mg/L。

電吸附技術 (EST)，又稱電容性除鹽技術，是20世紀六七十年代開始理論研究，90年代末逐漸應用的一項新型水處理技術，它是基于電化學中的雙電層理論，利用帶電電極表面的電化學特性來實現水中離子的分離，進而去除的目的。

電吸附技術水處理過程中，水中的鹽大多是以陰陽離子（或稱正負離子）的形式存在。所謂“電化學中的雙電層理論”，就相當于在水中安裝一個平板電容，通過施加外加電壓形成靜電場，兩個電極板分別帶正負電荷，強制離子向帶有相反電荷的電極板上移動，陰離子向正極板移動并聚集，陽離子向負極板移動并聚集，這樣使水體本身鹽度降低，實現了除鹽的效果。

電吸附工作原理

原水從一端進入由兩電極板相隔而成的空間，從另一端流出。原水在陰、陽極之間流動時受電場的作用，水中離子分別向帶相反電荷的電極遷移，被該電極吸附并儲存在雙電層內。隨著電極吸附離子的增多，離子在電極表面富集濃縮，最終實現鹽分與水的分離，獲得淡化的水。

電吸附技術在水處理行業(yè)，可以用于以下領域：

1、生活飲用水深度凈化處理——去除過量的無機鹽類，如鈣、鎂、氟、砷、鈉、硝酸鹽、硫酸鹽、氯化物等，甚至使一些因無機鹽類超標的水源得以有效利用；

2、市政或工業(yè)污水回用處理——對于COD及含鹽量較高的工業(yè)廢水，傳統的水處理技術因COD高而影響鹽分的去除，電吸附技術抗污染性能較強，表現出一定的去除COD的能力，故可以不受其影響，除去污水中的高鹽分；

3、工業(yè)用水除鹽處理——紡織印染、輕工造紙、電力化工、冶金等行業(yè)都需要大量的除鹽水或純水作為工藝用水）；

4、循環(huán)冷卻水系統的補水預處理——降低補水含鹽量，可以改善水質，以利進一步提高循環(huán)水的濃縮倍數，減少補水量和排污水量；

5、循環(huán)冷卻水系統的排污水再生回用——經過除鹽處理的排污水回用于循環(huán)冷卻水系統替代新鮮補水，可以減少新水消耗和污水排放量，進一步提高循環(huán)水的循環(huán)利用率；

6、苦咸水淡化等領域，苦咸水淡化乃至海水淡化將是EST技術的下一個更加誘人的應用領域。

光化學氧化法應用可降解污染物的途徑，包括無催化劑和有催化劑參與的光化學氧化過程。前者多采用氧和過氧化氫作為氧化劑，在紫外光的照射下使污染物氧化分解。后者又稱光催化氧化，一般可分為均相和非均相催化兩種類型。非均相光催化降解中較常見的是在污染體系中投加一定量的光敏半導體材料，同時結合一定量的光輻射，使光敏半導體在光的照射下激發(fā)產生“電子-空穴”對，吸附在半導體上的溶解氧、水分子等與“電子-空穴”作用，并儲存多余的能量，使得半導體粒子能夠克服熱動力學反應的屏障，作為催化劑使用，進行一些催化反應，產生?HO等氧化性極強的自由基，再通過與污染物之間的羥基加和、取代、電子轉移等使污染物降解。

光化學氧化法包括光敏化氧化，光激發(fā)氧化，光催化氧化三種工藝，光化學氧化法是在化學氧化和光輻射的共同作用下，使氧化反應在速率和氧化能力上比單獨的化學氧化、輻射有明顯提高的一種水處理技術。光氧化法可以用紫外光為輻射源，同時水中需預先投入一定量氧化劑如過氧化氫，臭氧或一些催化劑，對染料等難降解而具有毒性的小分子有機物去除效果極佳，光氧化反應使水中產生許多活性極高的自由基，這些自由基很容易破壞有機物結構。

電芬頓催化氧化廢水處理設備主要基于芬頓（fenton）催化氧化技術原理，是一種高級氧化技術處理工藝設備，主要用于高濃度、有毒、有機廢水的降解處理。

芬頓試劑法是法國科學家Fenton在1894年發(fā)明的，芬頓試劑反應的實質是H₂O₂在Fe²⁺ 的催化作用下生成羥基自由基（?OH）。電芬頓法的研究始于20世紀80年代，是為了克服傳統芬頓法的缺點，提高水處理效果而發(fā)展起來的電化學高級氧化技術。電芬頓法是利用電化學方法持續(xù)產生Fe²⁺和H₂O₂，兩者產生后立即作用而生成具有高活性的羥基自由基，使有機物得到降解，其實質就是在電解過程中直接生成芬頓試劑。電芬頓反應的基本原理是溶解氧在適合的陰極材料表面通過發(fā)生氧化還原反應產生過氧化氫（H₂O₂），生成的H₂O₂能夠與溶液中的Fe²⁺催化劑反應產生強氧化劑羥基自由基（·OH），通過芬頓反應產生·OH的過程已被化學探針測試以及自旋捕獲等光譜技術所證實。實際應用中常利用·OH無選擇性的強氧化能力達到去除難降解有機物的目的。

O₂+2H⁺+2e→H₂O₂；

H₂O₂+Fe²⁺→[Fe(OH)₂]²⁺→Fe³⁺+·OH+OH^-，

電芬頓技術主要適用在：垃圾滲濾液原水、濃縮液以及化工、制藥、農藥、染料、紡織、電鍍等工業(yè)廢水的預處理，可與電催化高級氧化設備聯用，在去除CODCr的基礎上，大幅提高廢水的可生化性能。垃圾滲濾液原水、濃縮液以及化工、制藥、農藥、染料、紡織、電鍍等工業(yè)廢水生化出水的深度處理，可直接將CODCr降至達標排放水平，并可以和〝脈沖電芬頓設備〞聯用，降低整體運營成本。

對于造紙、印染、制藥等行業(yè)廢水，含有機物濃度高、組分復雜、難降解物質多，這些物質的處理較為困難。電化學水處理技術可有效提高難降解物的可生化性。

處理過程中陽極表面能起到吸附、催化、氧化等多種轉化功能。氧化能力極強的羥基自由基能夠甚至能夠使使持久性有機污染物發(fā)生分解，高效的將其轉化為無毒的、容易講解的物質。該方法還能夠將持久性有機污染物徹底生成二氧化碳或碳酸鹽等物質。

在實際應用中，考慮到廢水電導率很低，為了增強溶液導電性，一般還需要加入強電解質(如氯化鈉、硫酸鈉)，從而提高處理效率和處理質量。

煉焦、煉油、造紙、塑料、陶瓷、紡織等工業(yè)產生的酚類有機污染物廢水中含苯酚和其衍生物等芳香族化合物，處理一般較為復雜，且效率不高。同時含酚廢水的來源廣、污染重。通過電化學氧化水處理技術，能夠對這類污水進行有效處理。影響含酚廢水的處理的因素包括苯酚初始濃度、廢水pH值、電流密度、支持電解質種類等。周明華等以經氟樹脂改性的β-PbO₂為陽極，處理含酚模擬廢水，在電壓為7.0 V，pH值為2.0的條件下，其COD可降至60mg/L以下，揮發(fā)酚可完全去除。

醫(yī)藥、農藥、染料、炸藥及其他化工產品的生產過程中，會產生含硝基苯類化合物的廢水。硝基苯類化合物屬于生物難降解物質，在污水處理中具有較大的難度。提出用電化學催化系統處理此類廢水，能夠達到良好的效果。一般以形穩(wěn)性陽極（金屬陽極），對模擬硝基苯廢水進行處理。在已有的相關實驗結果中可以發(fā)現，在選擇合適的電流密度為后硝基苯類化合物的去除率非?？陀^，甚至能夠達到90%以上。因此，利用電化學法對此類污水進行處理具有良好的應用前景。

重金屬主要指汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)、砷(As)、銅(Cu)、鋅(Zn)、鈷(Co)、鎳(Ni)等。采礦、冶金、化工等行業(yè)是水體中主要的人為污染源。重金屬在食物鏈中的過量富集會對自然環(huán)境和人體健康造成很大的危害，因此重金屬離子廢水的處理一直是科學家關注的熱點。電化學法在此類廢水的處理領域也有較多的探索和應用，主要的應用方法是電沉積法。電沉積法的三維電極與傳統的二維電極相比具有明顯的優(yōu)勢，三維電極能夠增加電解槽的面體比，同時增大物質傳質的速度，提高電流效率和處理效果。在實際中，利用三維電極處理含銅離子和汞離子污染的重金屬廢水取得過較好的效果。

電化學水處理法同樣能夠與其他方法結合使用，從而大大提高污水處理的效率和處理質量，這是學界研究的重點方向。研究較多的主要是電化學法與生物法結合后的污水處理技術。將這兩種方法進行結合后，水中的多種污染物能在生物技術和電化學技術的共同處理中，被有效的降解和處理。值得一提的是，電化學反應過程產生的微弱的電流，能夠有效刺激微生物的代謝活動，從而促進生物處理的效率。因此，這兩種方法的結合在處理難生物降解污水、電解不徹底的廢水處理等方面具有其他方法不可比擬的優(yōu)點。