姜國保

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

微電解作用機理及反應(yīng)器研究現(xiàn)狀

姜國保

(中國環(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、微電場等,達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、日常維護及運行成本高、能耗高等問題,提出設(shè)計新型科學(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(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)具有運行費用低、工藝流程簡單、使用壽命長、普遍適應(yīng)性強等諸多特點。但是,該技術(shù)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(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、微電場作用四個方面論述了鐵碳微電解技術(shù)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(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(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(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)個微原電池。在廢水中電極反應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(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(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)實現(xiàn)對廢水的處理。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]等將微電解作用機理概括為:電場作用、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(yīng)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(yīng)有促進作用)。

2 微電解技術(shù)研究的主要方向

2.1 設(shè)計新型科學(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(yīng)器存在著諸多不足之處,使反應(yīng)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(shù)正因為它的低能耗、高效率才得以廣泛應(yīng)用,所以改進現(xiàn)有的微電解反應(yīng)器,設(shè)計出新型科學(xué)的微電解反應(yīng)器勢在必行。

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,滾動床處理效果較好,但動力消耗大;立式分級膨脹床反應(yīng)動力效果較好,但其設(shè)計復(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(yīng)器[21]等。這些新型流化床微電解反應(yīng)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(yīng)器動力設(shè)備簡單、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,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)計復(fù)雜、安裝維修不方便等缺陷。所以,低能耗、高效率、動力設(shè)備簡單、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(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(yù)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(biāo)達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

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(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,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(shè)備簡單、占用空間小、維修方便的微電解反應(yīng)器行業(yè)也必將成為一項朝陽產(chǎn)業(yè)。

[1]李旭東,楊蕓.廢水處理技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.166.

[2]羅旌生,曾抗美,左晶瑩,等.鐵碳微電解法處理染料生產(chǎn)廢水[J].水處理技術(shù),2005,31(11):97-70.

[3]張勝田,江希流,林玉鎖,等.微電解工藝處理染料工業(yè)廢水研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2006,31(9):80-83.

[4]任擁政,章北平,張小昱,等.鐵碳微電解對造紙黑液的脫色處理[J].水處理技術(shù),2006,32(4):68-70.

[5]張文藝.微電解—混凝—SBR法處理焦化廢水[J].中國給水排水 ,2003,19(7) :58-59.

[6]陳凌.鐵炭微電解法處理鍍鋅廢水[J].當(dāng)代化工,2008,37(5):519-521.

[7]陳欣義,石鍵韻,劉詩燕,等.鐵碳微電解處理電鍍前處理廢水的試驗研究[J].廣東化工,2008,35(9):74-77.

[8]吳少杰,朱泮民.鐵屑濾料微電解法處理高濃含鉻廢水試驗[J].中國給水排水,2002,18(8):49-50.

[9]楊健,鄭廣宏.微電解預(yù)處理難降解有機廢水的研究進展[J].工業(yè)用水與廢水,2008,39(5):1-5.

[10]夏靜芬,程靈勤.鐵炭微電解法處理草甘磷農(nóng)藥廢水的研究[J].浙江萬里學(xué)院學(xué)報,2007,20(5):55-57,169.

[11]史敬偉,楊曉東.鐵炭微電解法預(yù)處理制藥廢水的研究[J].遼寧化工,2006,35(4):211-213.

[12]李天鵬,荊國華,周作明.微電解技術(shù)處理工業(yè)廢水的研究進展及應(yīng)用[J].工業(yè)水處理2009,29(10):9-13.

[13]文善熊,邊虎,趙瑛,等.淺談微電解技術(shù)研究進展[J].甘肅科技 ,2006,22(5) :138-139.

[14]朱又春,林美強.用于廢水微電解一磁混凝凈化處理裝置中微電解反應(yīng)囂[P].中國專利:2498143Y,2002-07-03.

[15]陳啟松.催化微電解裝置[P].中國專利:2448821 Y,2001-09-19.

[16]羅斌華,劉巍.處理陶瓷合酚度水的鉸發(fā)微電解裝置及方法[P].中國專利 :101244854A,2008-01-20.

[17]王健全,朱誠.立式膨脹床微電解催化氧化反應(yīng)器[P].中國專利:291334 5Y,2007-06-20.

[18]詹津奇,詹伯君.鐵碳微電解流化床設(shè)備[P].中國專利:2564554Y,2003-08-06.

[19]曲久輝,劉海寧.一種轉(zhuǎn)鼓式擻電解度水處理反應(yīng)裝置[P].中國專利:1789155A,2006-06-21.

[20]傅雁.臥室截電解催化氧化反應(yīng)器[P].中國專利:25139823,2002-10-02.

[21]梅凱,王珊.連續(xù)鉸碳微電解流化床設(shè)備[P].中國專利:2010986133,2008-08-13.

[22]徐續(xù),操家順,常飛.鐵炭微電解-Fenton試劑氧化-二級A/O工藝處理化工廢水工程實例[J].給水排水,2004,30(5).

[23]賈丹.微電解-UASB-SB法處理糠醛廢水的試驗研究[J].工業(yè)水處理,2007,27(11):28-31.

[24]王茹.鐵炭微電解-Fenton-PACT法處理染料中間體生產(chǎn)廢水[J].環(huán)?？萍?2009,15(1):23-25.

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(xué)院環(huán)境工程專業(yè)在讀。