電絮凝技術去除水中無機污染物的新興應用

陳一鳴

電絮凝技術去除水中無機污染物的新興應用

陳一鳴

（沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168）

電絮凝法（EC）具有效率高、去除污染物種類范圍廣、設備操作及維護簡單、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)勢，現(xiàn)已成為處理廢水中懸浮顆粒、可溶性無機污染物以及有機污染物等的有效方法。EC方法的性能取決于幾個重要參數(shù)，包括電流密度、pH值、運行時間和攪拌速度。強調了EC技術與其他先進技術的集成，以達到更高的去除效率。對電絮凝技術的主要和次要反應進行了討論，并提出了幾個重要的操作參數(shù)、EC技術的新興設計、運行條件和技術經濟分析。建議未來研究其他參數(shù)對EC技術的影響。

電絮凝法；無機污染物；絮凝劑

提供足夠的清潔水是人類面臨的最重要的自然資源問題之一。無機污染物可能會給人類健康造成相當大的問題[1]。如果無機污染物的濃度（鉻、鋅、鉛、汞、砷和其他重金屬）超過世界衛(wèi)生組織規(guī)定的水平，還將對公共衛(wèi)生和環(huán)境產生影響[2]。因此，迫切需要開發(fā)可靠和具有成本效益的方法來處理各種類型的水和廢水[3]。一般來說，有幾種方法是在發(fā)表的研究中去除各種無機污染物[4]。這些技術可分為物理技術和化學技術，包括沉淀、蒸發(fā)、膜分離、離子交換和吸附[5]技術等。然而，上述大多數(shù)方法的優(yōu)點為有效地去除小顆粒，所使用的化學品易獲得，缺點為產生高污泥，處理時使用一些化學品成本昂貴等。目前，與其他物理和化學工藝相比，對受污染水的電化學處理技術的需求更高。這些方法具有節(jié)能、耐用性、自動化能力、可用性和成本效益[6]。有幾種電化學技術可有效去除水中的無機物，包括電浮選（EF）、電氧化（EO）和電絮凝（EC）。EC方法是通過電化學過程消除污染物的最常見機制[7]。EC工藝于1946年在美國首次用于去除飲用水中的顏色。然而，調查顯示，由于當時經濟激勵措施不足和環(huán)境意識水平較低，EC并不適用于工業(yè)。1980年，EC成功用于北美的采礦和金屬加工業(yè)[8]。在過去的10年里，人們對不同類型的污染物進行了一些廣泛的研究[9]。EC過程包括溶解犧牲陽極，以提供活性金屬氫氧化物作為一種強絮凝劑，使污染物絮凝，然后將它們分離[10]。EC具有傳統(tǒng)絮凝和電化學方法的優(yōu)點，在EC中不需要添加劑，因為電子是主要試劑。與化學絮凝相比，EC技術也被認為是一種創(chuàng)新。然而，以往使用EC的研究大多是基于由靜電電極和磁性攪拌器攪拌溶液的傳統(tǒng)反應器[11]。傳統(tǒng)電極的最大缺點是它們需要較長的反應時間才能有效地處理污染物[12]。本文主要目的是探究EC技術在處理水中無機污染物方面的潛力，概述了在電極制備和配置方面的最新進展。

1 電絮凝技術的概念

電絮凝（EC）技術在從各種水源（城市水、廢水、湖水、河水和海水）中去除污染物（有機和無機）方面具有很高的潛力，已證明適用于高鹽水預處理或海水淡化以降低污染損壞膜的成本[13]。關于EC技術的文獻表明，EC僅以實驗室和試點工廠的規(guī)?？捎肹14]。因此，在更大規(guī)模上實施EC技術需要進一步的關注。從從業(yè)者的角度來看，這可能歸因于之前的大多數(shù)工作，他們使用了基于由靜電電極和磁性攪拌器組成的傳統(tǒng)反應器的EC技術來攪拌溶液。傳統(tǒng)電極的主要缺點是它們需要較長的反應時間才能有效地處理污染物。長時間的反應可能導致電極表面被動積累的增加（鈍化現(xiàn)象的發(fā)生）和污泥的產生。電極鈍化是EC技術最常見的缺點之一，它會降低水處理性能，電極鈍化增加了EC電池的電阻，從而增加了所需的電位，它會導致整體能量和電極材料的額外消耗。

2 無機污染物的去除機制

在過去的幾十年里，許多研究澄清了從各種水源中去除無機污染物的固有過程[15]。一般來說，是通過還原劑的電氧化在溶液相原位形成絮凝體。該方法與傳統(tǒng)的水處理絮凝機制密切相關[16]。EC技術是一種電化學程序，使用最小的電荷來去除不添加化學物質的污染物。帶電粒子和離子被具有相反電荷的離子中和，導致沉淀。形成絮凝劑的過程包括一些同時發(fā)生的電化學反應[17-18]。EC處理的機制被分為兩種反應。根據電流密度，產生的離子會進一步形成相應的羥氧化物。其中一個離子用M表示，即鋁、鐵、鈦、鋅、鋼或不銹鋼。M2+通過陽極處的M氧化作用溶解在處理后的廢水中。Al(OH)3、Fe(OH)2、Ti(OH)2、Zn(OH)2、St(OH)2和SS(OH)2由下面的方程（1）至（7）形成。這些方程式說明了在陽極處的氧化反應：

SS→SS2++ 2e?； （1）

Zn→Zn2++ 2e?； （2）

Mg→Mg2++ 2e?； （3）

Ti→Ti2++ 2e?； （4）

Fe→Fe2++ 2e?； （5）

Fe→Fe3++ 3e?； （6）

Al→Al3++ 3e?。 （7）

在高陽極化電位的情況下，陰極中的水還原反應產生了氫氣，如式（8）、式（9）所示：

2H2O + 2e?→2OH?+ H2； （8）

2H++2e?→ H2。 （9）

還原反應產生的OH?特別重要，因為電解池中pH的增加有助于溶液中各種金屬(M)羥基配合物的產生，還原反應Zn2+和Mg2+在陰極上以方程式如式（10）和式（11）所示：

Zn2++ 2H2O→Zn(OH)2+ 2H?； （10）

Mg2++ 2H2O→Mg(OH)2+ 2H?； （11）

此外，非晶形絮凝劑絮凝體形成的高表面積也會吸附可溶性離子或捕獲膠體通過第三種方法從水溶液中提取顆粒。聚集物的產生依賴于由范德瓦爾斯和雙層力的組合組成的分子間相互作用[19]。最簡單的準則是對稱的方法，其中雙層力是排斥性的，范德華力是吸引人的。然后，吸引力必須超過排斥力才能建立聚集體。此外，由于雙層力的雙重存在，異質聚集機制要復雜得多，這可能是吸引、排斥，或兩者共同存在[20]。在EC配置中使用了幾個組件。一般來說，在所有的Fe(III)中，F(xiàn)e(OH)3和Al(OH)3是已知的有利的絮凝劑成分，主要負責消除無機污染物。與其他材料或化學品相比，它們能有效地去除各種污染物，并具有成本效益。因此，它們通常被用作陽極和陰極，以產生表面復合物。Al3+離子與水反應形成陰離子、陽離子或中性配合物如下：

Al3++ H2O→Al(OH)2++H+； （12）

Al(OH)2++H2O→Al(OH)2+H+； （13）

Al(OH)2++H2O→Al(OH)3++H+。 （14）

陽離子在水中水解形成氫氧化物，有不同的羥基配合物，包括單體和聚合物，如Al(OH)2+、Al2(OH)24+,、Al3(OH)45+、Al6(OH)153+等。因此，鋁羥基是最有效的吸附劑，具有吸附各種水資源中的有毒金屬的能力，同時在這些過程中也沒有可能出現(xiàn)次生水污染物。

3 無機污染物的去除

電絮凝是一種電化學驅動技術，通過犧牲陽極的電溶解產生絮凝劑。EC過程是基于膠體系統(tǒng)的形成和聚集，而絮凝劑的使用增強了其進一步的絮凝。EC主要通過兩種機制去除無機污染物：表面絡合和靜電吸引。去除機理是，金屬氫氧化物凝凝劑的不溶性絮凝體自發(fā)形成。其他過程包括吸附和污染物金屬氫氧化物直接沉淀。絡合機理表明，重金屬可以作為絮凝劑水合遷移的配體，即Al(OH)3或Fe(OH)3來創(chuàng)建一個復雜的曲面。這些配合物的形成伴隨著主要聚集體的形成和絮凝劑的沉淀，允許從水相中分離出無機污染物。當污染物與氫氧化鋁相互作用時，水解的鋁離子可以形成大的Al-O-Al-OH網絡，可以化學吸附污染物，然后形成沉淀，促進在反應器中污染物的電遷移、運輸和沉淀。帶電的無機污染物也可以通過沉積在相對帶電的電極上來去除[21]。

4 參數(shù)的影響

考慮到EC工藝仍僅在實驗室和試點工廠的規(guī)模上可用，建議未來的研究應集中在影響參數(shù)的優(yōu)化上，從而提高EC的大規(guī)模應用潛力。

4.1 轉速和攪拌器的速度

攪拌的目的是有效地將電極溶液產生的絮凝物質轉移到反應器[22]。攪拌速度也可以使設備變量，如溫度和pH均勻化。高速度會破壞反應器絮凝體，形成難以從水中提取的小絮凝體。ALJABERI[23]等分析了轉速對機器輸出的影響，發(fā)現(xiàn)當電流密度為0.5 mA·cm-2時，100 r·min-1的去除效率約為74%，150 r·min-1為85%，250 r·min-1為69%。AL-RAAD[24]等研究了攪拌速度對硫酸鹽的影響，當速度從 250 r·min-1提高到500 r·min-1時，達到了最大的處理性能（高達90%的去除率）。攪拌從速度500 r·min-1增加到750 r·min-1時，去除率下降到80%。他們更換旋轉相位陽極代替磁性攪拌器。這一作用將產生一種均勻的溶液，將電極溶解產生的絮凝材料有效地轉移到反應器中。他們發(fā)現(xiàn)，隨著反應堆的高旋轉速度，水難以去除的小絮凝體理論上可能會被高速摧毀。

4.2 pH溶液的影響

pH被認為是可以直接影響EC過程性能的關鍵參數(shù)之一。在給定材料的最優(yōu)pH溶液下，獲得了最佳的污染物消除效率。EC方法下的絮凝機制在很大程度上受到pH的調控，可以通過調節(jié)溶液pH來提升污染物的去除效果[25]。鋁和鐵金屬鹽可以產生多價離子，如Al3+，F(xiàn)e2+，F(xiàn)e3+以及各種水解產物。Fe(II)是一種弱絮凝劑，在絮凝過程中通常被氧化為Fe(III)以達到更高的性能。此外，廣泛使用的金屬鹽是堿性鋁、硫酸鐵和氯化物。金屬陽離子以單核和多核氫氧化物的形式流入溶液，這取決于溶液的pH。Al(OH)3和Fe(OH)3是水溶性差的中性非定形金屬羥氧化物[26]。

5 結 論

近年來，EC技術得到了極大的發(fā)展。EC是一種快速、易于使用的污染物去除技術，不需要添加化學成分或工藝控制。綜述發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)反應相比，以往的研究更側重于消除無機污染物和開發(fā)EC反應。然而，最近的研究表明，現(xiàn)代反應堆中污染物的去除和能源的使用得到了增強。為了確定最可持續(xù)的方法，使用了Mg、Ti、Zn、Cu等替代材料作為EC方法的犧牲電極。然而，在成功實施之前仍需要進一步的研究，主要使用鐵或鋁陽極，EC獲得了更高的去除效率，成本最低，可達沉降效果最佳和最低的污泥生產特性。由于其眾多的好處，EC方法仍有待廣泛的研究。雖然EC技術在去除各種水源中的污染物方面顯示出了很高的潛力，但這項技術仍缺乏更大規(guī)模的實施。

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Emerging Application of Electroflocculation Technology to Remove Inorganic Pollutants in Water

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

The electric flocculation method has the advantages of high efficiency, wide range of removing pollutants, simple equipment operation and maintenance, and easy automation, and it has become an effective method to treat suspended particles, soluble inorganic pollutants and organic pollutants in wastewater.The performance of the EC method depends on several important parameters, including the current density, the pH value, the running time, the distance between the electrodes, and the stirring speed. In this paper, the integration of EC technologies with other advanced technologies to achieve higher removal efficiency was emphasized.The primary and secondary reactions of electroflocculation techniques were also discussed, and several important operating parameters, emerging design of EC techniques, operating conditions, and technical-economic analyses were presented.It was recommended to study the impact of other emerging parameters on EC technologies.

Electroflocculation method; Inorganic pollutants; Flocculant

2021-11-08

陳一鳴（1998-），男，滿族，遼寧省沈陽市人，碩士研究生在讀，研究方向：土木水利（市政工程方向）。

TQ085.2

A

1004-0935（2022）06-0809-04