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        電化學(xué)催化氧化工藝分析

        2018-11-02 12:18:16孫寧田云龍
        中國環(huán)保產(chǎn)業(yè) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:電催化電解陽極

        孫寧,田云龍

        (1.美國德雷賽爾大學(xué),美國 費(fèi)城;2.中國建筑技術(shù)集團(tuán)有限公司,北京 100013)

        1 電化學(xué)催化氧化工藝原理

        電化學(xué)催化氧化工藝又叫EO工藝,簡稱電解水法。該方法不需要添加氧化劑,無二次污染,條件溫和,適用范圍廣,兼具氣浮、絮凝、殺菌作用。

        電解法作為一種較為成熟的水處理技術(shù),早在20世紀(jì)40年代就有人提出,但由于電力等方面的原因,以及電源和極板等專業(yè)性問題,發(fā)展一直較緩慢,故多用于處理含氰、含鉻的電鍍廢水。隨著電力及相關(guān)工業(yè)的發(fā)展,近年來電解法成為水處理技術(shù)的熱點(diǎn),研究范圍涉及處理印染廢水、制藥廢水、制革廢水、造紙黑液、垃圾滲濾液等。

        電極氧化機(jī)理可分為兩部分,即直接氧化和間接氧化。直接氧化作用是指溶液中·OH基團(tuán)的氧化作用,其是由水通過電化學(xué)作用產(chǎn)生的,該基團(tuán)具有很強(qiáng)的氧化活性,對作用物幾乎無選擇性。直接氧化的電極反應(yīng)為:

        若廢水中含有高濃度的Cl-時(shí),Cl-在陽極放出電子,形成Cl2,進(jìn)一步在溶液中形成ClO-,溶液中的Cl2/ClO-的氧化作用能有效去除廢水中的COD及NH3-N。這種氧化作用即為間接氧化,反應(yīng)如下:

        電解法水處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):1)過程中產(chǎn)生的·OH無選擇地直接與廢水中的有機(jī)污染物反應(yīng),將其降解為二氧化碳、水和簡單有機(jī)物,沒有或很少產(chǎn)生二次污染;2)能量效率高,電化學(xué)過程一般在常溫常壓下就可進(jìn)行;3)既可作為單獨(dú)處理技術(shù),又可與其他處理技術(shù)相結(jié)合,如作為前處理技術(shù),可以提高廢水的生物降解性;4)電解設(shè)備及其操作一般比較簡單,如果設(shè)計(jì)合理,費(fèi)用并不昂貴。

        電解法水處理技術(shù)的缺點(diǎn):電流效率仍然偏低、能耗大、電催化降解反應(yīng)器的效率較低,處理成本高。

        電解法水處理技術(shù)的適用范圍:1)廢水深度處理殺菌消毒;2)廢水脫色處理;3)廢水可生化型處理,提高B/C;4)去除水中的COD等有機(jī)物質(zhì)。

        2 極板簡介

        電極材料的選擇對于電解氧化處理有機(jī)廢水至關(guān)重要,本研究選用不溶性貴金屬催化電極,鍍鉑電極。電極反應(yīng)是電子參與的氧化還原反應(yīng),所以電催化反應(yīng)進(jìn)行的情況與電極電位有重要的聯(lián)系。電極電位越低,越容易失去電子;電極電位越高,越容易得到電子。電極電位為負(fù)的金屬是較強(qiáng)的還原劑,電極電位為正的金屬是較強(qiáng)的氧化劑,所以電極電位是選擇電極材料的重要依據(jù)。有機(jī)物在金屬氧化物陽極上的氧化反應(yīng)機(jī)理和產(chǎn)物選擇性同陽極金屬氧化物的價(jià)態(tài)和表面上的氧化物種類有關(guān)。在金屬氧化物MOx陽極上生成的較高價(jià)金屬氧化物MOx+1,有利于有機(jī)物選擇性氧化生成含氧化合物;在MOx陽極上生成的自由基MOx(·OH),有利于有機(jī)物氧化燃燒生成CO2。盡管電極類型各異,但對它們有一些共同的要求:良好的導(dǎo)電性和耐蝕性。因此多用高耐蝕性的鈦?zhàn)鳛殡姌O的基體。以鈦為基體,在其表面覆蓋有電催化劑及其他組分的金屬氧化物的電極是值得進(jìn)一步開拓的重要電極類型。

        電解氧化法對垃圾滲濾液的深度處理具有較好的應(yīng)用前景。電解氧化過程中,NH3-N被優(yōu)先去除,其次是COD;電解氧化反應(yīng)在一定濃度的Cl-存在時(shí),以間接氧化為主,與直接氧化作用并存;SPR三元電極的處理效果優(yōu)于DSA二元電極和石墨電極;酸性條件比堿性條件更有利于電解氧化作用對COD及NH3-N的去除;Cl-濃度高時(shí),氧化去除COD及NH3-N的效果好;電流密度高時(shí),有利于間接氧化作用的發(fā)生。適宜的電解氧化條件是:pH值為4,Cl-濃度為5000mg/L,電流密度為10A/dm2,SPR三元電極為陽極,電解時(shí)間4h。COD及NH3-N濃度分別為693mg/L和263mg/L時(shí),COD去除率為90.6%,NH3-N的去除率為100%。

        3 電源簡介

        3.1 設(shè)備概況

        1)電解、電絮凝污水處理電源,適用于多種污水處理,可根據(jù)不同污水的處理情況,調(diào)整合適的脈沖占空比、脈沖頻率及脈沖電壓、電流,以達(dá)到最佳電絮凝效果;2)電絮凝污水處理電源采用單片機(jī)控制技術(shù),電壓調(diào)節(jié)采用無級數(shù)字電位器調(diào)整,可以無級平滑地調(diào)節(jié)直流輸出電壓、輸出電流;3)占空比與脈沖頻率預(yù)設(shè)定;4)正反向自動換向時(shí)間預(yù)設(shè)定;5)定時(shí)工作時(shí)間預(yù)設(shè)定;6)開機(jī)軟起動;7)快速過載、過流保護(hù)功能;8)電絮凝污水處理電源,采用進(jìn)口IGBT作為功率驅(qū)動電路,輸出電源與電網(wǎng)完全隔離,設(shè)備具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、功能全、性能穩(wěn)定可靠、維修方便等特點(diǎn),并可根據(jù)用戶的要求,組成多機(jī)組合控制及與PC機(jī)接口。該設(shè)備是目前水處理行業(yè)中最為先進(jìn)的設(shè)備之一。

        3.2 使用環(huán)境與條件

        1)海拔高度不超過1000米;2)周圍環(huán)境溫度不高于+45℃,不低于-20℃;3)空氣相對濕度不大于85%,無易燃及易爆氣體的環(huán)境;4)不含有腐蝕及破壞絕緣的氣體的環(huán)境;5)無導(dǎo)電塵埃的環(huán)境;6)無劇烈振動及沖擊的地方;7)應(yīng)在室內(nèi)安裝,與水處理槽車間隔離;8)大功率水冷電絮凝污水處理電源的冷卻水質(zhì)要求為:電阻大于等于20kΩ,pH值5~9,水壓大于0.5kgf/cm2,不小于1kgf/cm2。

        3.3 主要電氣參數(shù)

        1)輸入電壓:三相AC 380V±10%或單相AC 220V±10%(試驗(yàn)電源);2)輸入頻率:50/60Hz;3)輸入波形:三相交流正弦波;4)輸出直流脈沖峰值電壓:0~額定電壓;5)輸出直流脈沖峰值電流:0~額定電流;6)脈沖頻率調(diào)整范圍:100~3000Hz可任意設(shè)定;7)脈沖占空比調(diào)整范圍:5%~80%可任意設(shè)定;8)脈沖幅度調(diào)整范圍:0~100%額定輸出電壓電流范圍內(nèi)任意調(diào)整;9)輸出波形:脈沖方波;10)軟啟動時(shí)間:4秒;11)保護(hù)功能:過壓、欠壓、缺相、過流、超溫保護(hù);12)冷卻方式:風(fēng)冷;13)輸出=1路;14)顯示方式:各種參數(shù)全部采用數(shù)字顯示;15)操作方式:采用MCUB-2010C微電腦控制器(主機(jī)控制面板),薄膜輕觸鍵控制脈沖頻率設(shè)定、脈沖占空比設(shè)定、脈沖幅度調(diào)整電壓電流;16)工作模式:恒壓/恒流轉(zhuǎn)換;17)自動換向:換向工作時(shí)間1分鐘~9小時(shí)59分59秒(正向及反向工作時(shí)間可預(yù)設(shè)定)。

        3.4 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        1)在工作時(shí)脈沖占空比可在5%~80%間任意調(diào)節(jié),頻率在100~3000Hz間任意調(diào)節(jié),根據(jù)不同水處理工藝要求,合理調(diào)節(jié)脈沖占空比及頻率范圍;2)設(shè)備控制電路板由電源變壓器、電壓、電流檢測、振蕩電路、驅(qū)動電路、功率放大電路、脈沖調(diào)制等部分電路組成;3)當(dāng)輸出電流超過額定電流的110%時(shí),能自動快速切斷主電源,以保護(hù)脈沖驅(qū)動管等元件;4)電絮凝污水處理電源內(nèi)裝有變壓器、整流元件及控制元件板等控制元件,元件箱內(nèi)裝有控制板、熔斷器、繼電器、平波電抗器等;5)儀表指示燈、操作按鈕、電壓表、電流表、頻率表、占空比表、多功能顯示窗、功能指示燈、調(diào)整電位器均裝在主機(jī)面板上;6)直流采用后面出線;7)電絮凝污水處理電源柜左面裝有冷卻風(fēng)機(jī),以保證變壓器(F)型及整流、驅(qū)動元件的冷卻。

        4 EO應(yīng)用實(shí)例及工程實(shí)踐總結(jié)

        4.1 實(shí)例

        江蘇某印染廠中試設(shè)備(見下圖)。EO能氧化水中的有機(jī)物質(zhì),并具有氣浮的效果。電解產(chǎn)生的氫氣等以細(xì)小氣泡包圍在懸浮物上,使懸浮物上升,采用刮渣機(jī)把浮渣刮走。設(shè)備的脫色、去除細(xì)小懸浮物的效果優(yōu)于氣浮。

        江蘇某印染廠中試設(shè)備圖

        4.2 工程實(shí)踐總結(jié)

        電催化氧化水處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于電鍍廢水、油田生產(chǎn)過程中各類廢水、市政垃圾滲濾液濃縮液、化工廢水、制藥廢水、農(nóng)藥廢水、染料中間體廢水、印染廢水、制革廢水、造紙黑液等領(lǐng)域。電催化氧化水處理技術(shù)具有氧化還原、凝聚、氣浮、殺菌消毒和吸附等多種功能,并具有設(shè)備體積小、占地面積少、操作簡單靈活,可以去除多種污染物,同時(shí)還可以回收廢水中的貴重金屬等優(yōu)點(diǎn)。電催化氧化技術(shù)除了可用于電化學(xué)氧化和還原使水中有毒物質(zhì)轉(zhuǎn)化外,也可用于懸浮或膠體體系的相分離。電化學(xué)方法還可與生物方法結(jié)合形成生物電化學(xué)方法,與納米技術(shù)結(jié)合形成納米-光電化學(xué)方法;電催化氧化反應(yīng)以電子作為反應(yīng)劑,一般不添加化學(xué)試劑,可以避免產(chǎn)生二次污染;設(shè)備相對較為簡單,易于自動控制,具有多種功能,便于綜合治理;后處理簡單,占地面積少,管理方便,幾乎不產(chǎn)生污泥。

        電催化氧化反應(yīng)器是交流電轉(zhuǎn)為直流電的整流器(可以是脈沖式整流器)、循環(huán)泵、循環(huán)儲罐,以及根據(jù)廢水性質(zhì)的不同,少量添加助劑或者不添加助劑。電催化氧化水處理技術(shù)的核心部分是具有電催化活性的稀有貴金屬電極,直流電通過具有電催化活性的稀有貴金屬電極在水中產(chǎn)生電催化氧化作用。對于高濃度難降解廢水,一般要采用循環(huán)電解方案,廢水在循環(huán)儲罐和電催化氧化反應(yīng)器中不停地循環(huán),以保證電解的效果達(dá)到設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)廢水的不同,需要在設(shè)計(jì)前進(jìn)行小試試驗(yàn),以便確定廢水處理的運(yùn)行費(fèi)用和投資費(fèi)用。電催化氧化水處理裝置在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生一定數(shù)量的氧氣、 氯氣、氫氣,所以要設(shè)置一個(gè)直通室外的排氣管道(排氣管道的直徑由產(chǎn)氣量而定,排氣管盡可能直通,不得設(shè)置閥門等),把氫氣、氧氣溶解后多余的氯氣排放到室外。當(dāng)排放氣體中的氯氣量較大時(shí),需要把排氣引入堿液吸收塔吸收氯氣,以免污染周邊環(huán)鏡。

        5 電催化氧化水處理器的優(yōu)勢

        電催化氧化裝置可以通過陽極產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑迅速氧化污水中有機(jī)污染物和微生物有機(jī)體,破壞有機(jī)物對膠體的保護(hù)作用,促進(jìn)膠體脫穩(wěn),形成以絡(luò)合體為核心的緊密絮體,完成氧化脫穩(wěn)、形成新核、吸附架橋的初步絮凝過程,同時(shí)迅速殺滅水中的細(xì)菌和微生物。另外陽極、陰極還可以使污水中的懸浮物、膠質(zhì)等有機(jī)物進(jìn)行電性中和作用,產(chǎn)生互相絮凝作用,從而大幅度減少投加的混凝劑、絮凝劑,并無需投加殺菌劑。 ■

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