电化学技术在水处理中的应用进展

张楠，高山雪，陈蕾

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

当今社会中，水资源严重短缺，在工业技术飞速发展的情况下，大量的工业废水被产出，又给这种不利状况带来了更加严重的问题。因此，工业费水的净化逐渐变成了目前环境保护中亟待解决的一个很重要的问题[1]。电化用水处理技术一般无需引进其他物质，反应物质是电子，它的这一特性从根本上体现了电化学在处理过程中产生污染较低、绿色环保的特点[2-3]。反应物直接进入反应系统参与反应，可参与反应的有机物种类较多，要求较低，同时能量利用效率也得到了提高。电化学技术的反应装置简单易操作，反应条件也较温和，工艺整体较简单，自动化控制也比较容易实现，其工业应用前景较明朗[3-4]。

1 电化学水处理技术的原理

电化学技术处理废水是一个复杂的过程，在特定的电化学反应器中，由于电场的作用，反应器中的电子在该作用下会进行定向的转移，因此水中的污染物会在其中发生特定的物理和化学反应，从而被去除[5-7]。物理过程主要包含对污染物的吸附、絮凝和分离，化学过程可分为直接电解和间接电解。直接电解从字面就可以理解，就是指污染物直接在电极中被还原或氧化，而这一过程又包括了阳极以及阴极这两种处理过程。当反应发生在阳极表面，且污染物被氧化成毒性低、容易被生物降解甚至可以直接矿物化的物质，通过这种途径来使得水中的污染物含量降低或者被彻底去除[8-9]。阴极过程主要用于回收重金属、还原卤化烃。其中污染物在阴极表面被减少和消除。间接电解是间接的反应，指需要借助强氧化产物或者由电化学反应产生的中间还原物质来对污染物进行转化或降解。

电化学水处理技术被称为 “绿色”水处理技术，因此其与传统的水处理技术相比，具有很突出的优点。首先，其反应装置构造简单，也比较灵活，既可以单独处理污水，也可作为与其他处理技术相结合的先进预处理工艺使用；其次，电化学的处理技术与其他技术相比，更加易于操控，其只需控制电流与电压，更加易于实现自动化；此外，该技术不需要特殊的反应条件，且常温常压就可以实现，而且其所需投加的药剂量相较于传统工艺大大减少，不仅节省了药剂投加量，还避免了二次污染[10-12]。

2 电化学水处理技术的分类

根据不同的工作原理和方法，可以主要将水的电化学处理技术分为以下几种：电凝聚、电化学氧化、电沉积、电吸附、电渗析等[13]。

2.1 电凝聚法水处理技术

电凝聚水处理技术也通常被称为电浮法，主要去除污水中的胶体杂质，染色、镀锌废水处理中采用该方法进行处理，效果较好[14-16]。其原理是将外部的电压加在可溶性阳极上，产生阳离子，所产生的阳离子能够与水中的胶体污染物发生反应，使得稳定状态的胶体污染物失去其稳定性，经过凝聚之后沉降，而此时将会有一定数量的氢气从电流的阴极被释放出来，由于氢气的密度比水小，因此，在上浮过程中，氢可以携带沉积污染物至水面。这样，就可以将污染物和水体分开[17-18]。但这种方法所用的阴极和阳极材料将会溶解，在实际应用中，将会消耗许多的电气和金属材料。因此目前无法得到推广使用[19]。

2.2 电化学氧化法处理技术

电化学氧化水处理技术主要用于有效地改变水中某些有机类污染物，使得其官能团的功能活性发生变化，从而使其化学性质也在某一定程度上改变。电化学氧化技术在其规定的条件下，某种程度上可以有效的降低待处理水中有机污染物的毒性，这也为后续处理降低了难度，从而使得某些高分子污染物更容易被生物分解[20]。废水的电化学氧化处理可分为直接电解和间接电解[19]。直接氧化和间接氧化的分类没有一个绝对的界线，通常在有机物在进行电化学分解的过程中，电极上会同时出现这两种氧化过程，除此之外，实验条件以及实验过程中的控制参数的变化会导致分解机制发生不同程度的变化[20]。靳善明采用电催化臭氧技术处理有机废水，将氧化得到臭氧通入电化学反应中，将还原通过产生的过氧化氢和臭氧将难处理的有机物转化成无害的水和二氧化碳，取得较好效果[2]。

2.3 电渗析法

电渗析法相较于其他方法操作起来更加方便，这也意味着其维修工作更加简单，寿命更长[21-22]。电渗析法是在直流电场和离子交换膜的协同作用下，使得溶液中的离子发生迁移，从而分离污水中的电解质[23]。此方法利用了膜的选择透过性，使得阴阳离子向不同电极进行迁移，达到去除水中污染物的目的[24]。王先锋电渗析的方法处理含盐量较高的废水，并且探究了影响ED膜损伤的一系列预处理方法。经过组合实验，能够达到较高的去除率[25]。Kuichang等将电渗析与微生物燃料电池结合，对髙浓度的有机废水进行处理，实验证明该工艺对有机物的去除率较高[26]。

2.4 电Fenton法

电Fenton方法的原理是，由电极产生的H2O2在电化学反应的作用下与Fe2 +反应生成自由基羟基(·OH)，它会氧化并将难降解的污染物分解成小分子，并且一旦电压和电流得到控制，这个过程就很容易实现自动控制[27]。所通电压大小、电流的密度、曝气速率以及待处理水的pH值均将对电Fenton法的处理效果产生一定影响。Iglesias等利用电压5.69 V、pH为2.24、铁离子浓度为2.68 mmol/L的条件下，对合成染料，结果显示其脱色率能达到90%，且COD的去除率可达到56%[27]；Shin Yong-Uk等采用密度为28.5 mA/cm2的恒定电流，对食品废水进行处理，40 min后，废水中10 mmol/L的苯酚被完全降解，继续处理后，废水的TOC降低了约75%[28]。电Fenton工艺目前还未达到普遍的大规模应用，仍处于研究实验阶段，其能耗是主要的问题，因此仍需进行进一步的研究探索[29]。

2.5 电沉积水处理技术

通常在电解液中，有许多不同的金属离子，这可能导致电解溶液中产生电势的差异，同时在阴极电极，这些离子可以通过自由态以及联合状态的形式析出，形成沉淀，通过过滤即可出去该类污染物。废水中的金属离子即可通过此原理在电沉积法处理水的过程中被回收，并对绿色环境提供了强有力的保护。在实际应用这一方法时，必须根据所处理污水的不同，合理设计电解槽，以提高污水的处理效果，这也是电沉积法设计的核心内容[19]。

3 电化学水处理技术在不同种类废水中的 应用

3.1 垃圾渗滤液

根据填埋场的年份不同，可将垃圾渗滤液进行分类，主要可分为两类——早期渗滤液、晚期渗滤液。早期沥滤的pH一般在5～7之间，呈弱酸性，除此之外具有较高的生物降解性，同时其碳氮比、氨氮浓度、BOD5和COD值也比较高；而晚期渗滤液则与早期渗滤液相反，但其氨氮浓度较高[30]。垃圾渗滤液污染较强，处理起来比较困难。魏平方等将Ti/RuO2·IrO2作为阳极材料，不锈钢电极作为阴极材料，利用三维电极反应器，对垃圾渗滤液进行深度处理，在电极和电解槽的空隙中，用焦粉粒子进行填充，同时在电极反应器底部用气泵曝气，最终结果显示，该方法的处理结果达到标准[31]。

3.2 城镇污水

随着人类社会的发展，环境日益恶化，因此我国对环保问题也更加重视，新的、更加严格的规范也就应运而生，因此，仍旧采用旧处理工艺的某些污水处理厂就不能达到新的污水处理标准。此时就需要运用新的、处理效果更好的工艺技术——电化学水处理技术。何绪文用钢板作为阴极，再将钛板用作基质，在一定比例的RuO2和TiO2中增加IrO2并在钛板表面进行涂层，用这种处理过的材料作为阳极，进行水处理实验，经测试所得的数据显示，该方法处理的废水可达到排放标准[32]。

3.3 印染生产废水

张俊等利用低电流高压电化学处理方法，对印染废水进行预处理，经过对实验结果的分析可知，随着对原水进行电化学预处理的时间的增加，COD、BOD的去除率逐渐升高，增加了废水的可生化性，通过对经济的考量，反应时间宜为15～20 min，在该条件下COD去除率约能达到50%～60%，其可生化性能在一定程度上也得到了提高[33]。

4 研究与展望

电化学水处理是一种很有前途的应用技术，其能有效处理难降解的有机废水，且其在多个不同方面以及领域的发展中均发挥了很大的作用，并且具有比较重要的意义。虽然如此，但是电化学水净化技术仍然还有很多缺陷与不足之处。目前的发展和应用并不广泛，主要存在以下问题：

(1)在处理过程中，各电极所发生的反应原理还未研究透彻，所产生的副产物或含量较少的产物无法检测，应加强研究电化学的机理。

(2)目前电化学反应器只适用于实验，还无法满足大规模水处理的需求，因此，在实际的生产应用中可能会对水处理产生影响的因素应该纳入考虑范围内，对处理工艺及反应器的加强研究，多采用电化学与其他工艺的联用。

(3)电化学需要大量电极材料，但目前所用的电极材料价格较高，工艺经济成本较高，应努力开发新型廉价电极，推广电化学处理技术的应用。

(4)电化学水处理技术单独作用时，处理效果有时无法达到预期，可以尝试其与其他工艺的联合工艺，增加污染物的去除率。