太阳光伏电化学技术处理废水研究

解宇峰

（1.北京大学环境科学与工程学院，北京100871；2.环境保护部南京环境科学研究所，江苏南京210042）

随着我国经济的增长及工业的迅速发展，工业排放的废水呈现出成分复杂、种类多、毒害大等特点，若未能得到有效治理，将会对环境和人类健康带来很大的威胁。处理废水使其达标排放的技术方法很多［1－2］，目前按照废水处理的作用原理可分为3大类。第一是物理法：利用物理作用使悬浮状态的污染物质与废水分离，在处理过程中污染物质的性质不发生变化；第二是化学法（包括物理化学法）：利用某种化学反应使废水中污染物质的性质或形态发生改变，而将其从水中除去；第三是生化法（或生物法）：利用微生物的作用去除废水中胶体和溶解性有机物的方法。此外，还有这些方法的综合应用。但是，这些处理方法存在二次污染和占地面积大等不足。

电化学法是近年发展起来的颇具竞争力的废水处理方法，它利用电化学原理处理废水，具有如下优点［3］：①无需添加任何氧化剂、絮凝剂等化学药品；②既可单独处理又可与其他技术相结合，如作为前处理提高废水的可生化性，或依靠电催化功能选择性降解氧化有机物；③不会或很少产生二次污染；④设备体积小，占地少，一般在常温常压下操作，简便灵活。因此该法被称为环境友好的处理方法，备受各国学者关注，近年来相关研究十分广泛，涉及各类污水处理领域，例如染料废水［4－5］、印染废水［6－7］、含油废水、食品废水等高浓度有机废水［8－9］以及金属冶炼废水［3，10］等。

1 电化学水处理技术

电化学水处理技术是指在外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程，产生大量的自由基，利用自由基的强氧化性对废水中的污染物进行降解的过程［11］。特别是利用不同电极的阳极氧化［12－15］或者过氧化氢的阴极发生器［16－18］而对有机污染物进行氧化处理。电化学技术的实质就是直接或间接地利用电解作用，把水中污染物去除或把有毒物质变为无毒、低毒物质。废水处理的电化学法主要有内电解法、电凝聚法、电气浮法、电化学氧化法、电还原法和电渗析法等［11，19］。

电化学方法处理废水起源于20世纪40年代，由于当时电力缺乏，其发展十分缓慢。到了20世纪60年代，伴随着电力工业的迅速发展，开始逐步受到研究者的注意。作为一种清洁处理方法，其优点是显而易见的。但是它作为一种新兴的废水处理方法，在实际应用中存在着能耗大、成本高、效率不高以及有析氧和析氢副反应等弱点［19］。

2 太阳光伏电化学水处理研究

太阳是能量的天然来源，太阳能每天都能无限供应，而且数量庞大。能够将太阳能直接转变成电能的光伏（PV）发电系统，具有无污染、无噪声、设备可分散化放置、寿命长以及维护成本较低等优点［20］。将PV发电系统与电化学系统耦合使用，可以有效克服电化学技术在应用中能耗大、成本高的弱点。

为了避免能量波动，并且在夜间继续工作，用于废水处理的PV系统，一般是由连接到蓄电池系统（一般铅酸类型）的PV模块组成。Weiner等［21］在一个海水淡化工厂进行研究，用PV发电系统和风力发电系统与能自动供电2d的蓄电池连接，利用反渗透技术淡化当地含盐水，研究期间每天能够生产3m3淡水，将来还能增大至9m3，非常适用于淡水资源稀缺而海水资源丰富的偏远小区。Suleimani和Nair［22］在阿曼的一个偏远地区进行了实验，研究利用太阳能供电系统驱动的反渗透装置来淡化地下咸水。太阳能供电系统中包括PV发电器、蓄电池以及其他仪器。实验达到了每天5m3水设计出水量的目标，平均生产成本估计为6.52美元／m3（设备寿命以20年计）。

然而，这些蓄电池在使用中存在几个问题：（1）充放电效率仅达到70%～80%［23］；（2）电池寿命大大短于PV发电系统的寿命；（3）需要严格控制每1块电池的电荷状态；（4）必须考虑电池处置的经济和环境成本。

所以有学者开始研究不用蓄电池而直接将PV发电系统作为电源为电化学系统供电。Richards等［24］研究了在无电池情况下，采用PV电池供电的混合超滤－纳滤／反渗透（UF－NF／RO）膜脱盐系统处理澳大利亚内陆含盐地下水。经过对4种膜材料的处理效果分析，得出结论认为，无电池情况下直接由PV电池供电膜系统处理含盐水，操作简单，运行可靠，不仅晴天可稳定运行，甚至中等云层条件也适用。Schäfer等［25］也对类似问题进行了研究，并通过调整操作参数找出最佳操作条件，最多生产250 L优质饮用水的同时仅消耗1.2kWh／m3的太阳能。Ortiz等［26］在西班牙南部开展试验，对直接使用PV能源为电渗析脱盐系统供电的可行性进行了研究并获得成功，研究认为PV供电的电渗析脱盐系统简单、可靠、成本低。该作者另外还研究了光伏发电系统与电渗析系统的相互作用机理，在此基础上进行了实际应用，并计算了该系统的运行成本［27－28］。Valero等［29］采用无电池的光电能源供电对合成纺织废水进行电凝聚处理研究，证明了PV阵列的配置是影响光电电力的重要因素。还有学者对以太阳能为动力开展以水制氢耦合电化学氧化有机物过程进行了研究［30－32］。Valero等［33］还开展了直接由PV系统供电的电化学氧化处理染料废水的研究，证明了PV发电器和电化学反应器的配置对实验的最佳效果有巨大影响，并提出最适宜PV发电器配置受太阳辐射强度、溶液电导率和污染物浓度3方面因素的影响。

3 结语

各种研究和实例表明，电化学废水处理技术与PV发电技术二者可以有效耦合使用，耦合系统具有运行成本低、简单、适应性强等特点，特别适用于为缺乏淡水资源（有海水或苦咸地下水）而电网又难以覆盖的偏远地区供应饮用水。考虑到未来化石能源越趋紧缺，该系统也可在电力紧张地区使用。将来，研究者可以考虑对PV发电系统直接与其他电化学处理技术（如电化学合成、电化学去除重金属、电气浮等）耦合过程进行研究，尤其应关注耦合系统的能源利用效率以及系统的建设和运营成本问题。

［1］ Rajeshwar K，Ibanez J.Environmental Electrochemistry Fundamentals and Applications in Pollution Abatement［M］.Academic Press Inc.：San Diego，CA，1997.

［2］ Simonsson D.Electrochemistry for a cleaner environment.Chem Soc Rev.1997，26（3）：181－189.

［3］ 罗志勇，张胜涛，郑泽根，等.电化学法处理重金属废水的研究进展［J］.中国给水排水，2009，25（16）：6－10.

［4］ 丁绍兰，李郑坤，王 睿.染料废水处理技术综述［J］.水资源保护，2010，26（3）：73－78.

［5］ 沈 明，杨梦兵，王中伟.阳离子染料废水治理技术［J］.中国环保产业，2009（9）：45－48.

［6］ 吴李全.印染废水处理工艺［J］.广东化工，2010，37（8）：281－282.

［7］ 王 斌，管玉江，杨卫身.电氧化还原法处理染料废水的研究进展［J］.印染，2005（11）：45－48.

［8］ 施国键，乔俊莲，郑广宏，等.电化学氧化处理生物难降解有机废水的研究进展［J］.化工环保，2009，29（4）：326－330.

［9］ 赵剑锋，邓志文.电氧化及其在高浓度有机化工废水处理中的应用［J］.有色冶金设计与研究，2006，27（3）：64－66.

［10］ 刘绍忠.电化学法处理重金属废水的应用研究［J］.工业水处理，2010，30（2）：86－88.

［11］ 赵成军，李玉屏.电化学方法在治理废水中的应用［J］.化学工程与装备，2010（2）：183－184.

［12］ Brillas E，Cabot PL，Casado J.Electrochemical methods for degradation of organic pollutants in aqueous media［J］.Environ Sci Pollut，2003，26：235－304.

［13］ Iniesta J，Expo′sito E，Gonza′lez－Garc1′a J，et al.Electrochemical treatment of industrial wastewater containing phenols［J］.J Electrochem Soc，2002，149（5）：D57－D62.

［14］ Iniesta J，Gonza′lez－Garc1′a J，Expo′sito E，et al.Influence of chloride ion on electrochemical degradation of phenol in alkalinemediumusing bismuth doped and pure PbO2anodes［J］.Water Res.2001，35（14）：3291－3300.

［15］ Jiang J，Chang M，Pan P.Simultaneous hydrogen production and electrochemical oxidation of organics using boron－doped diamond electrodes［J］.Environ Sci Technol，2008，42（8）：3059－3063.

［16］ Expo′sito E，Sa′nchez－Sa′nchez CM，Montiel V.Mineral iron oxides as iron source in electro－Fenton and photoelectro－Fenton mineralization processes［J］.J Electrochem Soc，2007，154（8）：E116－E122.

［17］ Sa′nchez－Sa′nchez CM，Expo′sito E，Casado J，et al.Goethite as a more effective iron dosage source for mineralization of organic pollutants by electro－Fenton process［J］.Electrochem.Commun，2007，9（1）：19－24.

［18］ Brillas E，Casado J.Aniline degradation by electro－Fenton and peroxi－coagulation processes using aflowreactor for wastewater treatment［J］.Chemosphere，2002，47（3）：241－248.

［19］ 苏丹丹，杨晓霞，贾庆明.电化学处理废水研究进展［J］.化工技术与开发，2010，39（9）：38－41.

［20］ Sen Z.Solar energy in progress and future research trends［J］.Progr Energy Combust Sci 2004，30：367－416.

［21］ Weiner D，Fisher D，Moses EJ，et al.Operation experience of a solar－and wind－powered desalination demonstration plant［J］.Desalination，2001，137（1－3）：7－13.

［22］ Al Suleimani Z，Nair VR.Desalination by solar－powered reverse osmosis in a remote area of the Sultanate of Oman［J］.Appl Energy，2000，65（1－4）：367－380.

［23］ Linden D，Reddy TB.Handbook of Batteries；Mc Graw Hill：New York，2002.

［24］ Richards BS，Capao DPS，Scha¨fer AI.Renewable energy powered membrane technology.2.The effect of energy fluctuations on performance of a photovoltaic hybrid membrane system［J］.Environ Sci Technol，2008，42（12）：4563－4569.

［25］ Schäfer AI，Broeckmann A，Richards BS.Renewable energy powered membrane technology.1.Development and characterization of a photovoltaic hybrid membrane system［J］.Environ Sci Technol，2007，41（3）：998－1003.

［26］ Ortiz JM，Expo′sito E，Gallud F，et al.Photovoltaic electrodialysis system for brackish water desalination：Modeling of global process［J］.J Membr Sci 2006，274（1－2）：138－149.

［27］ Ortiz JM，Expo′sito E，Gallud F，et al.Electrodialysis of brackish water powered by photovoltaic energy without batteries：direct connection behaviour［J］.Desalination 2007，208（1－3）：89－100.

［28］ Ortiz JM，Expo′sito E，Gallud F，et al.Desalination of underground brackish waters using an electrodialysis system powered directly by photovoltaic energy［J］.Sol Energy Mater Sol Cells，2008，92（12）：1677－1688.

［29］ Valero D，Ortiz JM，Expo′sito E，et al.Electrocoagulation of a synthetic textile effluent powered by photovoltaic energy without batteries：Direct connection behaviour［J］.Sol Energy Mater Sol Cells，2008，92（3）：291－297.

［30］ Park H，Hoffmann MR.Solar－powered production of molecular hydrogen from water coupled with organic compound oxidation；213th ECS Meeting Abstracts 2008；Phoenix，AZ，2008；p 1123.

［31］ Park H，Vecitis CD，Hoffmann MR.Solar－powered electrochemical oxidation of organic compounds coupled with the cathodic production of molecular hydrogen［J］.J Phys Chem A，2008，112（33）：7616－7626.

［32］ Park H，Vecitis CD，Hoffmann MR.Electrochemical water splitting coupled with organic compound oxidation：The role of active chlorine species［J］.J Phys Chem C，2009，113（18）：7935－7945.

［33］ Valero D，Ortiz JM，Expo′sito E，et al.Electrochemical Wastewater Treatment Directly Powered by Photovoltaic Panels：Electrooxidation of a Dye－Containing Wastewater［J］.Environ Sci Technol，2010，44（13）：5182－5187.