技术解析｜8种电化学水处理方法

+ 电化学水处理-

世界上的一切事物都有优点和缺点。社会的进步，人们生活水平的提高，必然会对环境造成污染。废水就是其中之一。随着石化、印染、造纸、农药、医药卫生、冶金、食品等行业的快速发展，世界各国排放的废水总量急剧增加，且由于废水中含有大量的高浓度废水、高毒、高盐度、高色度成分使其难以降解和处置，往往造成非常严重的水环境污染。

为了处理每天排出的大量工业废水，人们也在努力工作。物质、转化、生成并用，力、声、光、电、磁相结合。今天，笔者就为大家总结一下利用“电”处理废水的电化学水处理技术。

电化学水处理技术是指在电极或外加电场的作用下，在特定的电化学反应器中通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程降解废水中污染物的过程。电化学系统设备相对简单，占地面积小，运行维护成本低。可有效避免二次污染，且反应高度可控，易于实现工业自动化。它被称为“环境友好”技术。

电化学水处理的发展历史

1799

瓦尔塔制造了铜锌原电池，这是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源。

1833年

法拉第定律建立了电流与化学反应之间的关系。

1870年代

提出了双电层的概念。两个不同相之间的任何接触都会在两相之间产生电势，这是由电荷分离引起的。两相各有多余电荷，电荷相等，符号相反，它们相互吸引，形成双电层。

1887年

提出了电离理论。

1889年

提出了电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方程。

1903年

Morse等将两个电极分别放置在透析袋内外的溶液中，发现带电杂质可以快速从凝胶中去除。

1905年

塔菲尔公式的提出揭示了电流密度与氢过电势之间的关系。

1906年

获得电凝技术专利，并致力于改进和纠正电凝工艺的人和公司。

1909年

（美国）获得废水电解处理专利，利用自由离子和铝作为阳极的作用。

1950年

钜大首次试制成功高选择性离子交换膜，将电渗析技术推向实用化阶段，为电渗析的实际应用奠定了基础。电渗析首先用于苦咸水淡化，后来逐渐扩展到海水淡化和工业纯水生产的应用。

20世纪50年代

他人发展的电极过程动力学将为未来研究半导体电极的过程特性和量子理论解释溶液界面的电子转移过程奠定理论基础。

1956年，（英国）用铁作为电极处理河水。

20世纪60年代初

随着电力工业的快速发展，电解开始引起人们的关注。传统的电解反应器使用二维平面电极。这种反应器的有效电极面积很小，无法很好地解决传质问题。工业生产中，要求电极反应速度较高，客观上需要开发新型、高效的电解反应器。

20 世纪 60 年代和 1970 年代

Y. Oren 等人从俄克拉荷马大学从微碱性水中去除盐分的研究开始。研究了电吸附和电解吸附技术的基本理论、参数的影响以及各种候选电极材料的评价。

1969年

提出了流化床电极（FBE）的设计。这种电极与平板电极不同。它具有一定的三维构型，比表面积是平板电极的几十甚至几百倍。电解液在孔隙中流动，大大改善了电解反应器内的传质过程。

1972年

Honda报道称，当光照射光伏电池中的TiO2时，水的氧化还原反应可以持续发生，标志着光催化氧化水处理时代的开始。

1973年

M.和F.等人。成功研制双极固定床电极（BPBE）。内电极材料在高梯度电场作用下复极化，形成双极性颗粒，小颗粒两端发生氧化还原反应。每个颗粒相当于一个微电解池。由于每个微电解池的阴极和阳极之间的距离很小，因此很容易实现迁移。同时，由于整个电解槽相当于无数个微电解槽串联而成，因此效率大大提高。

20世纪70年代

前苏联的研究人员利用铁屑处理印染废水。此后，微电解技术开始应用于废水处理。

1976年

（前苏联）采用电絮凝法处理石化废水。 1977 年，等人。（前苏联）采用电絮凝法处理含铬废水。

20世纪80年代

推出了一种为克服传统芬顿法的缺点、提高水处理效果而开发的新技术——电芬顿技术。

1983年

（美国）采用电絮凝法处理含油废水。

20世纪90年代

电极材料选择、电极结构设计等核心技术突破。加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，马克等人。开展海水淡化试验试点工作，取得良好试验效果。我国电吸附技术的研究起步较晚。陈福明、尹广军等人于1999年报道了利用多孔大面积电极去除水中离子的方法，并进行了一系列电吸附的理论和实验研究。

进入21世纪以来

2002年，（澳大利亚）获得了去除放射性核素和氰化物的专利。电絮凝技术的发展已进入强力产业化进程，包括解决电化学反应池设计、电极净化、能源供应、操作条件、提供优化配套设施等关键问题。

电吸附技术的模型处理及系统应用。桑勋等人。建立了电吸附模型，研究了电吸附模块的吸附电位，研究了模块的设计参数和运行条件。建立了一套实验室模型。使用该模型处理TDS（总溶解固体，TDS值越高，水中含有的溶解物质越多）/L的工业循环冷却水，出水TDS达到10mg/L。

电化学水处理技术包括电絮凝-电浮、电渗析、电吸附、电芬顿、电催化高级氧化等技术。类型有很多种，每种类型都有其适用的对象和领域。

电絮凝-电浮选

电絮凝法实际上就是电浮选法。由于絮凝过程还伴随着气浮的发生，因此可统称为“电絮凝-电浮选法”。

该方法可溶性阳极在外电压作用下产生阳离子，阳离子对胶体污染物具有凝聚作用。同时，阴极在电压作用下析出大量氢气，氢气在上浮过程中可使絮凝物上浮。电絮凝法通过阳极的冷凝和阴极絮体的漂浮来实现污染物的分离和水的净化。

以金属为可溶性阳极（一般为铝或铁），电解时产生的Al3+或Fe3+离子生成电活性絮凝剂，压缩胶体双电层，使其不稳定，通过吸附、架桥来实现。 :

Al -3e→ Al3+ 或 Fe-3e→Fe3+

Al3++3H2O→Al(OH)3 +3H+ 或 4 Fe2++O2+2H2O→4 Fe3++4OH-

一方面形成的电活性絮凝剂M(OH)n称为可溶性多核羟基络合物。作为混凝剂，它能快速有效地凝聚污水中的胶体悬浮液（细小油珠和机械杂质）并将其“架桥”。 ”连接、凝结成“大块”并加速分离。另一方面，胶体在Al盐或Fe盐等电解质的作用下压缩双电层。由于库仑效应或混凝剂的吸附，胶体凝聚并实现分离，产生电絮凝剂，虽然电活性絮凝剂的电化学活性（寿命）只有几分钟，但它对双电层的电位差影响很大，即具有电双层的电势差。对胶体颗粒或悬浮颗粒有较强的团聚作用，因此其吸附能力和活性远高于添加铝盐试剂的化学方法，且用量小，成本低，不受环境、水的影响。温度和生物杂质少，铝盐与水之间不存在氢化作为氧化副反应，处理后的污水pH范围更宽。

此外，阴极表面释放的微小气泡加速了胶体的碰撞和分离过程。阳极表面直接电氧化和Cl-间接电氧化成活性氯，对水中溶解有机物和还原无机物有很强的作用。阴极释放的新生态氢和阳极释放的新生态氧具有很强的氧化还原能力。

因此，电化学反应器中进行的化学过程极其复杂。电凝聚、电浮选和电氧化过程在反应器中同时发生。水中的溶解胶体和悬浮污染物在混凝、气浮、氧化等作用下得到有效转化去除。

电镀水处理技术

电解质中不同金属成分之间的电位差用于在阴极沉淀游离或结合的可溶金属。基于这一原理，电沉积水处理方法可以通过这种无害的反应回收废水中的金属离子，非常绿色环保。电沉积法处理废水的关键在于选择合适的电位。无论金属处于什么状态，根据溶液中离子的活度，可以通过能斯特方程确定电势。同时，溶液成分、温度、过电位和电极材料也会影响电沉积过程。因此，电沉积水处理设备的核心往往在于设计合理、高效的新型电极结构电解槽。这样就可以针对水体中不同的污染物和不同的生产条件，选择不同的电解槽进行处理。

电化学氧化

广义的电化学氧化实际上是指电化学的整个过程。基于氧化还原反应原理，在电极上发生直接或间接的电化学反应，从而减少或去除废水中的污染物。

狭义的电化学氧化特指阳极过程。将有机物的溶液或悬浮液放入电解槽中，通过直流电，在阳极上俘获电子，使有机物氧化或先将低价金属氧化成高价金属离子，然后再氧化的方法含有高价金属离子的有机物。通常，有机物的某些官能团具有电化学活性。通过电场的强制作用，使官能团的结构发生变化，从而改变有机物的化学性质，使其毒性减弱甚至消失，生物降解性增强。

电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种。直接氧化（直接电解）是指污染物在电极上直接氧化，从废水中去除。它可分为阳极工艺和阴极工艺。阳极过程是污染物在阳极表面被氧化，转化为毒性较小的物质或易生物降解的物质，从而达到减少和去除污染物的目的。阴极过程是阴极表面污染物的还原和去除。主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。

这种阴极过程也称为电化学还原，利用不锈钢阴极或钛基镀铂电极捐献电子，相当于还原剂，还原沉积Cr6+、Hg2+等重金属离子。高氧化态离子被还原为低氧化态（六价铬变成三价铬）；将含氯有机物还原脱氯，转化为低毒或无毒物质，提高生物降解性：

R-Cl +H++e →RH + Cl-

间接氧化（间接电解）是指利用电化学产生的氧化还原物质作为反应物或催化剂，将污染物转化为毒性较小的物质。间接电解分为可逆过程和不可逆过程。可逆过程（介导的电化学氧化）意味着氧化还原物质可以在电解过程中电化学再生和循环利用。不可逆过程是指利用不可逆电化学反应产生的物质氧化有机物的过程，如强氧化性的Cl2、氯酸盐、次氯酸盐、H2O2、O3等。电化学反应还可用于产生强氧化性物质。中间体包括溶剂化电子、·HO、·HO2（超氧自由基）、·O2-（超氧阴离子自由基）等自由基，降解消除水中的氰、酚、COD、S2-等污染物，最终转化为无害化物质。

对于直接阳极氧化，如果反应物浓度太低，电化学表面反应将受到传质步骤的限制；对于间接氧化则没有这样的限制。在直接或间接氧化过程中，副反应一般都伴随着H2或O2的析出，但可以通过电极材料的选择和电位控制来抑制副反应。

电化学氧化法对于有机物浓度高、成分复杂、难降解物质多、色度高的废水，如海洋油田废水、印染废水、高浓度渗滤液、富含氨氮和氨氮的废水等，取得了良好的效果。氰化物。结果。电化学氧化技术依靠电化学活性阳极材料有效形成具有极强氧化能力的羟基自由基，不仅可以将持久性有机污染物分解转化为无毒的可生物降解物质，而且可以完全矿化为二氧化碳或碳酸盐等物质。

微电解水处理技术

20世纪70年代，前苏联科学家用铁屑处理印染废水。从此，微电解技术开始应用于废水处理。我国在20世纪80年代就开始了这方面的研究。随着研究的深入，铁碳微电解处理废水的工艺已日趋成熟。在难降解工业废水处理技术中，微电解技术日益受到重视，并已广泛应用于工程实践中。

微电解的原理也比较简单。它是利用金属腐蚀原理形成原电池来处理废水的工艺。该方法以废铁屑为原料，不需要消耗电力资源，具有“以废治废”的意义。具体而言，微电解法电解柱内经常采用废铁屑、活性炭等材料作为填料。通过化学反应生成具有强还原性的Fe2+离子，可以去除废水中的某些氧化性成分。减少; 另外，Fe(OH)2的絮凝特性可用于水处理；活性C具有吸附作用，可吸附有机物和微生物；因此，微电解法通过由铁和碳组成的原电池产生微弱电流，有利于微生物的生长。和新陈代谢。内电解水处理方法的最大优点是不消耗能源，而且该方法可以去除污水中的多种污染物成分和色度，同时提高难降解物质的可生物降解性。微电解水处理技术一般与其他水处理技术结合使用，作为预处理方法或作为补充方法，以提高废水的可处理性和可生物降解性。但同时，微电解水处理方法也存在缺点。最大的缺点是反应速度比较慢，反应器容易堵塞，处理高浓度废水较困难。

铁碳微电解技术作为一种新的废水处理方法，初步应用于印染废水的处理，并取得了良好的效果。此外，在造纸废水、制药废水、焦化废水、高盐有机废水及电镀废水、石化废水、农药废水、含砷废水等多种富含有机物的废水的处理方面也有大量的研究和应用。含有氰化物的废水。在有机废水处理中，通过新生态亚铁离子还原有机物中的氧化基团，具有吸附、絮凝、络合、电沉积等作用。微电解方法不仅可以去除有机物，还可以去除COD，提高生物降解性，为进一步处理创造条件。

在实际应用中，铁碳微电解法显示出其巨大的优势，具有良好的前景。但也存在硬化、pH调节等问题。这些问题限制了该工艺的进一步发展，这需要环保工作者。进一步开展研究，为铁碳微电解技术处理大规模工业废水创造更有利的条件。

电渗析水处理技术

电渗析（ED）利用半透膜在直流电场作用下的选择渗透性。溶液中带电的溶质颗粒（如离子）定向迁移通过膜，并与水溶液和其他不带电成分分离。，从而达到浓缩、稀释、精制、净化溶液的目的。目前，电渗透技术已发展成为大型化学单元工艺，在膜分离领域占有重要地位。广泛应用于化学海水淡化、海水淡化、食品医药、废水处理等领域。在一些地区，它已成为饮用水的主要生产方法。能耗低，经济效益显着；预处理容易，设备耐用；该装置设计具有应用灵活、操作维护方便、工艺清洁、化学品消耗低、无环境污染、装置使用寿命长、原水回收率高（一般达到65-80%）等优点。）。

常见的电渗析技术有填充床电渗析（EDI，又称电离法）；倒置电渗析（EDR）；液膜电渗析（EDLM；高温电渗析；盘管电渗析；无电极水电渗析技术等。

电渗析可用于处理电镀废水、重金属废水等，提取废水中的金属离子。它不仅可以回收水和有用资源，还可以减少污染排放。万世贵等人利用自制的离子膜电解槽研究了铜生产过程中钝化液处理的可行性。他们发现，不仅可以回收其中的铜和锌，而且可以将Cr3+氧化成Cr6+，使钝化液得到再生。采用膜电解法从镀镍废液中电沉积镍。电渗析与离子交换相结合的酸洗废液回收重金属和酸的工艺已在工业上得到应用。王芳设计的电去离子装置主要采用阴、阳树脂分层填充，可处理重金属废水，实现重金属废水的回收利用，实现闭路循环、零排放。电渗析还可用于处理碱性废水和有机废水。污染控制与资源研究国家重点实验室开展了利用离子膜电解处理环氧丙烷氯醇尾气碱洗废水的研究。当电解电压为5.0V，循环处理3小时时，废水COD去除率可达78%，废水碱回收率可达73.55%，为后续生化装置起到良好的预处理作用。齐鲁石化公司采用电渗析法处理高浓度复合有机酸废水，浓度为3%～15%。不产生废渣和二次污染。所得浓缩液含有20%至40%的酸，可以回收利用。废水中含酸含量可降至0.05%～0.3%。四川化工有限公司采用专用电渗析装置处理冷凝废水。最大处理能力36t/h。浓水中硝酸铵的体积百分比为20%。回收率达96%以上。合格淡水排放水中氨氮质量分数≤40mg。 /L。

电吸附

电吸附技术（EST），又称电容式海水淡化技术，是一种新型水处理技术，于20世纪60年代和1970年代开始理论研究，并于20世纪90年代末逐渐得到应用。它基于电化学中的双电层理论，利用带电电极表面的电化学特性来达到分离去除水中离子的目的。

在电吸附技术的水处理过程中，水中大部分盐类以阴离子和阳离子（或正离子和负离子）的形式存在。所谓“电化学中的双电层理论”相当于在水中安装一个平板电容器，通过施加外部电压形成静电场。两个电极板分别带有正电荷和负电荷，迫使离子向带相反电荷的电极板移动。向上移动，阴离子向正极板移动并聚集，阳离子向负极板移动并聚集，从而降低水本身的盐度，达到海水淡化的效果。

电吸附的工作原理

原水从一端进入两块电极板隔开的空间，从另一端流出。当原水在阴极和阳极之间流动时，受到电场的影响。水中的离子迁移到带相反电荷的电极，被电极吸附并储存在双电层中。随着电极吸附离子数量的增加，离子在电极表面富集、浓缩，最终实现盐和水的分离，得到淡化水。

电吸附技术可应用于水处理行业的以下领域：

1、饮用水深度净化处理——去除多余的无机盐，如钙、镁、氟、砷、钠、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等，甚至使一些无机盐超标的水源得到有效利用；

2、市政或工业废水回用处理——对于COD和含盐量较高的工业废水，传统水处理技术因COD较高而影响盐的去除。电吸附技术具有较强的抗污染性能，并表现出一定的去除COD的能力，因此可以去除污水中的高盐含量而不受其影响；

3、工业水淡化处理——纺织印染、轻工造纸、动力化工、冶金等行业均需要大量的除盐水或纯水作为工艺用水）；

4、循环冷却水系统补水预处理——降低补水含盐量可以改善水质，进一步提高循环水浓缩倍数，减少补水量和废水排放量；

5、循环冷却水系统污水再生回用——海水淡化后的污水回用在循环冷却水系统中替代淡水，可减少新水消耗和污水排放，进一步提高循环水的重复利用率。 ;

6、苦咸水淡化等领域，苦咸水淡化乃至海水淡化将是EST技术下一个更有吸引力的应用领域。

光电化学氧化

光化学氧化法采用降解污染物的方法，包括无催化剂和有催化剂参与的光化学氧化过程。前者多以氧气和过氧化氢为氧化剂，在紫外线照射下氧化分解污染物。后者也称为光催化氧化，一般可分为均相催化和非均相催化两类。非均相光催化降解中比较常见的是在污染体系中添加一定量的光敏半导体材料，并与一定量的光辐射结合，使光敏半导体在光照射下被激发产生“电子-空穴”对。光的照射。吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与“电子-空穴”相互作用并储存多余的能量，使半导体颗粒克服热力学反应的障碍，可以作为催化剂进行一些催化反应，产生·H2O和其它强氧化性自由基，然后与污染物通过羟基加成、取代、电子转移等方式降解污染物。

光化学氧化方法包括光敏氧化、光诱导氧化和光催化氧化三个过程。光化学氧化法利用化学氧化和光辐射的联合作用，使氧化反应比单独的化学氧化和辐射更快、更有效。显着改进的水处理技术。光氧化法可以使用紫外光作为辐射源。同时，必须预先在水中投入一定量的氧化剂如过氧化氢、臭氧或一些催化剂。对去除染料等难降解、有毒性的小分子有机物有极好的效果。光氧化反应使水中产生许多高活性自由基，这些自由基很容易破坏有机物的结构。

电芬顿技术

电催化氧化废水处理设备主要基于（）催化氧化技术的原理。是一种高级氧化技术处理设备，主要用于高浓度、有毒、有机废水的降解处理。

芬顿试剂法是法国科学家于1894年发明的。芬顿试剂反应的本质是H2O2在Fe2+的催化下生成羟基自由基（•OH）。对电芬顿方法的研究始于1980年代。这是一种开发的电化学晚期氧化技术，旨在克服传统的芬顿方法的缺点并改善水处理效果。电芬顿方法使用电化学方法连续生成Fe2+和H2O2。生成两者后，它们立即反应产生高活性的羟基自由基，从而降解有机物。它的本质是在电解过程中直接生成芬顿试剂。电芬顿反应的基本原理是溶解的氧气通过合适的阴极材料表面的氧化还原反应产生过氧化氢（H2O2）。产生的H2O2可以与溶液中的Fe2+催化剂反应，以产生强氧化剂羟基自由基（·OH），通过化学探针测试和自旋诱捕和其他光谱技术证实了通过芬顿反应产生·OH的过程。在实际应用中，非选择性强氧化能力通常用于去除难治性有机物。

O2+2H ++ 2E→H2O2;

H2O2+Fe2+→[Fe（OH）2] 2+→Fe3 ++·OH+OH-，，

- 主要适用于：垃圾填埋场原始水，浓缩物和工业废水的预处。，大大改善了废水的生物降解性。从化学，药物，农药，染料，纺织品，纺织品，电镀和其他工业废水中的化学，药物，农药，染料和其他工业废水的垃圾填埋浸出原始水，浓缩物和生化废水的先进处理可以将CODCR直接降低至标准排放水平，并且可以与“ Pulse 设备”，降低总体运营成本。

+电化学水处理应用 -

1.持续有机污染物污水的处理技术

造纸，印刷和染色等行业的废水以及药品含有高的有机浓度，复杂的成分和许多难治性物质，因此很难治疗这些物质。电化学水处理技术可以有效地改善难治物质的生物降解性。

在处理过程中，阳极表面可以执行各种转化功能，例如吸附，催化和氧化。具有极强氧化能力的羟基自由基甚至可以分解持续的有机污染物，并有效地转化为无毒且易于解释的物质。该方法还可以将持续的有机污染物完全转化为诸如二氧化碳或碳酸盐之类的物质。

在实际应用中，考虑到废水的电导率非常低，为了提高溶液的电导率，通常有必要添加强的电解质（例如氯化钠，硫酸钠）以提高治疗效率和治疗质量。

2.酚类污染废水的电化学处理技术

酚有机污染物废水由焦化，精炼，造纸，塑料，陶瓷和纺织品等行业产生的废水包含酚类化合物，例如苯酚及其衍生物。治疗通常是复杂且效率低下的。同时，含苯酚的废水来自许多来源，并受到高度污染。可以通过电化学氧化水处理技术有效处理这种污水。影响含苯酚废水的处理的因素包括苯酚的初始浓度，废水的pH值，电流密度，支撑电解质的类型等。使用荧光素修饰的β-PBO2作为处理含苯酚的模拟废水的阳极。在7.0 V的电压和2.0的pH值的条件下，COD可以降低到小于60 mg/L，并且可以完全去除挥发酚。

3.硝基苯化合物污染的废水电化学处理技术

在生产药物，农药，染料，炸药和其他化学产品的过程中，将生产含有硝基苯化合物的废水。硝基苯化合物是可生物降解的物质，在污水处理中很难降解。有人提出，使用电化学催化系统来处理这种废水可以取得良好的效果。通常，模拟的硝基苯废水用形状稳定的阳极（金属阳极）处理。从现有的相关实验结果中可以发现，选择适当的电流密度后，硝基苯化合物的去除率非常客观，甚至可以达到90％以上。因此，使用电化学方法来处理这种废水具有良好的应用前景。

4.重金属离子废水的电化学处理

重金属主要是指汞（HG），镉（CD），铅（PB），铬（CR），砷（AS），铜（CU），锌（Zn），钴（CO），镍（Ni），镍（Ni），镍（NI），等等。采矿，冶金，化学工业和其他行业是水体污染的主要来源。食物链中重金属的过度积累将对自然环境和人类健康造成巨大伤害。因此，重金属离子废水的处理一直是科学家的重点。电化学方法也已被广泛探索和应用于这种废水的治疗领域。主要的应用方法是电沉积。与传统的二维电极相比，电沉积法的三维电极具有明显的优势。三维电极可以增加电解电池的表面与体型比，增加传质速度并提高当前效率和治疗效果。实际上，使用三维电极来处理被铜离子和汞离子污染的重金属废水，取得了良好的效果。

5.将电化学与其他方法相结合的废水处理方法

电化学水处理方法也可以与其他方法结合使用，以极大地提高污水处理的效率和质量。这是学术研究的关键方向。研究最多的主要是将电化学方法与生物学方法相结合的污水处理技术。在结合了这两种方法之后，通过生物技术和电化学技术的联合处理，可以有效地降解水中的各种污染物。值得一提的是，电化学反应过程产生的弱电流可以有效刺激微生物的代谢活性，从而促进生物治疗的效率。因此，这两种方法的组合比处理难治性生物降解的污水和废水不完全电解的其他方法具有无与伦比的优势。