深度详解-电化学技术！
+ 电化学水处理-
世界上任何事物都有其利弊，社会的进步和人民生活水平的提高，不可避免地会造成环境污染，废水就是其中之一。随着石油化工、印染、造纸、农药、医药卫生、冶金、食品等工业的快速发展，世界各国废水排放量急剧增加。而且由于废水中含有较多的高浓度、高毒性、高盐度、高色度的成分，难以降解处理，往往会造成非常严重的水污染。
为了处理每天排放的大量工业废水，人们也是很用功的，物理、化学、生物都用上，力、声、光、电、磁都结合起来，今天笔者就给大家总结一下利用“电”来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，运行维护费用低，能有效避免二次污染，且反应可控程度高，易于实现工业自动化，被称为“环境友好型”技术。
电化学水处理的发展历史
1799
Valta 制造的铜锌原电池是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源。
1833
法拉第定律建立了电流和化学反应之间的关系。
1870 年代
提出了双电层的概念，任何两种不同的相接触时，两相间都会产生电势，这是由于电荷分离引起的，两相中带有等量、符号相反的过量电荷，相互吸引，形成双电层。
1887
提出了电离理论。
1889
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
Morse等将两个电极分别置于透析袋内外溶液中，发现带电杂质能够快速从凝胶中除去。
1905
提出了塔菲尔方程，揭示了电流密度与氢过电位的关系。
1906
电凝聚技术已经获得了专利，并且有个人和公司专门对电凝聚工艺进行改进和修改。
1909
（美国）申请了一种利用自由离子的作用，以铝为阳极，通过电解处理废水的方法的专利。
1950
聚大首次成功制作出高选择性的离子交换膜，促使电渗析技术进入实用阶段，为电渗析的实际应用奠定了基础。电渗析最先用于苦咸水淡化，后来逐渐扩展到海水淡化、工业纯水生产等应用。
20 世纪 50 年代
该研究发展的电极过程动力学将为今后研究半导体电极过程的特征以及溶液界面上电子转移过程的量子理论解释奠定理论基础。
1956
（英国）利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，电解开始受到人们的重视。传统的电解反应器采用二维平板电极，这种反应器的有效电极面积很小，不能很好的解决传质问题。工业生产中要求电极反应速率高，因此客观上需要研制一种新型、高效的电解反应器。
20 世纪 60 年代和 70 年代
Y. Oren等人从美国俄克拉荷马大学微碱性水中除盐的研究出发，研究了电吸附和电吸附技术的基本理论、参数的影响及各种候选电极材料的评估。
1969
等提出了流化床电极（FBE）的设计，该电极不同于平板电极，具有一定的三维构型，其比表面积是平板电极的几十倍甚至几百倍，电解液在孔隙中流动，电解反应器内的传质过程得到很大的改善。
1972
和本田报道，光照光伏电池中的TiO2可以维持水的氧化还原反应，标志着光催化氧化水处理时代的开始。
1973
M.和F.等人成功研制出双极固定床电极（BPBE）。内电极材料在高梯度电场作用下再极化，形成双极粒子，在小粒子的两端发生氧化还原反应。每个粒子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，由于整个电解池相当于无数个串联起来的微电解池，效率大大提高。
20 世纪 70 年代
前苏联研究人员利用铁屑处理印染废水，从此微电解开始应用于废水处理。
1976
前苏联等采用电凝聚法处理石油化工废水，1977年等(前苏联)采用电凝聚法处理含铬废水。
20 世纪 80 年代
为了克服传统法的缺点，提高水处理效果，开发了一种新技术——电技术。
1983
美国等采用电凝聚法处理含油废水。
20 世纪 90 年代
电极材料选择和电极结构设计的核心技术突破。美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室，Mark等人进行了海水淡化试验中试工作，取得了良好的实验效果。国内对电吸附技术的研究起步较晚，1999年陈福明、尹光军等人报道了一种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理论和实验研究。
自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。电凝聚技术的发展已进入强有力的工业化进程，包括解决电化学反应池的设计、电极去污、能源供应、操作条件、提供最佳配套设施等关键问题。
电吸附技术的模型处理及系统应用。Sang Hoon等建立了电吸附模型，研究了电吸附模块的吸附电位，研究了模块的设计参数及运行过程中的操作条件。等建立了实验室模型，利用该模型处理TDS（总溶解固体，TDS值越高，水中溶解固体越多）为10mg/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凝聚-电浮选、电渗析、电吸附、电-、电催化高级氧化等技术，种类繁多，各有适用对象和领域。
01. 电凝聚-电浮选
电絮凝法其实就是电絮凝法，由于絮凝过程还伴随气浮的发生，所以可以统称为“电絮凝-电浮选”。
该方法利用可溶性阳极在外加电压作用下产生阳离子，对胶体污染物起混凝作用，同时阴极在电压作用下释放出大量氢气，氢气在上浮过程中使絮体上浮，电凝聚法就是通过阳极的混凝和絮体在阴极的上浮，达到污染物分离、水质净化的目的。
以金属作为可溶性阳极（通常为铝或铁），电解过程中产生的Al3+或Fe3+离子生成电活性絮凝剂，压缩胶体双层，使其不稳定，达到吸附、架桥和捕集的作用：
Al-3e→Al3+ 或 Fe-3e→Fe3+
Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+ 或 4 Fe2++O2+2H2O→4 Fe3++4OH-
一方面，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，能快速有效地凝聚污水中的胶体悬浮物（细小油滴、机械杂质），并将它们“架桥”成“大块”，加速分离。另一方面，胶体在Al盐或Fe盐等电解质作用下，压缩双电层，由于库仑效应或混凝剂的吸附作用，胶体凝聚分离，发生电絮凝。电活性絮凝剂的电化学活性（寿命）虽然只有几分钟，但对双电层电位差的影响很大，即对胶体颗粒或悬浮颗粒有很强的混凝作用。因此它的吸附容量和活性比投加铝盐药剂的化学法高得多，且用量少，成本低，不受环境、水温和生物杂质的影响，不会发生铝盐与水发生氢氧化的副反应，因此处理污水的pH范围较宽。
另外阴极表面释放出的微小气泡加速了胶体的碰撞分离过程；阳极表面的直接电氧化和Cl-间接电氧化为活性氯，对水中可溶性有机物和还原性无机物有较强的氧化能力；阴极释放的新生态氢气和阳极释放的新生态氧气有较强的氧化还原能力。
因此电化学反应器内的化学过程极其复杂，电絮凝、电浮选和电氧化过程在反应器内同时发生，在混凝、浮选和氧化作用下，使水中的可溶胶体及悬浮污染物得到有效的转化和去除。
02.电沉积水处理技术
利用电解液中不同金属组分之间的电位差，使游离的或结合的可溶性金属在阴极析出。电沉积水处理法就是基于这一原理，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。电沉积处理污水的关键是选择合适的电位，无论何种状态的金属，都可以根据溶液中离子活度的大小，由能斯特方程确定电位。同时，溶液成分、温度、过电位以及电极材料等也会对电沉积过程产生影响。因此，电沉积水处理设备的核心往往是设计合理、高效的新型电极结构电解池。这样，就可以针对水体中的不同污染物、不同的生产条件选择不同的电解池进行处理。
03.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，它是依据氧化还原反应的原理，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，是将有机物的溶液或悬浮液置于电解池中，用直流电通过阳极，夺取电子而氧化有机物的方法，或先将低价金属氧化为高价金属离子，再由高价金属离子氧化有机物。通常有机物的某些功能团具有电化学活性，通过电场的强制作用，使功能团的结构发生变化，从而改变有机物的化学性质，降低其毒性甚至消除，增强其生物降解性。
电化学氧化分为直接氧化和间接氧化。直接氧化（直接电解）是指通过电极上的直接氧化作用去除废水中的污染物，又可分为阳极过程和阴极过程。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于生物降解的物质，从而达到减少和去除污染物的目的。阴极过程是污染物在阴极表面通过还原作用去除，主要用于卤代烃的还原脱卤和重金属的回收。
这种阴极过程又称电化学还原，利用不锈钢阴极或Ti基镀Pt电极捐献电子，相当于还原剂将Cr6+、Hg2+等重金属离子还原沉积，高氧化态离子被还原为低氧化态（六价铬变成三价铬）；含氯有机物被还原脱氯，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）是指利用电化学生成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（介导电化学氧化）是指电解过程中氧化还原物质的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生成的Cl2、氯酸盐、次氯酸盐、H2O2和O3等具有强氧化性的物质氧化有机物。还可以利用电化学反应生成强氧化性的中间体，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，降解消除水中的氰化物、酚类、COD、S2-等污染物，最终转化为无害物质。
对于阳极直接氧化，如果反应物浓度过低，电化学表面反应会受到传质步骤的限制；对于间接氧化，则不存在这样的限制。在直接或间接氧化过程中，一般都会有H2或O2析出的副反应，但可以通过选择电极材料和电位控制来抑制副反应。
电化学氧化对于有机浓度高、成分复杂、难降解物质较多、色度较高的废水，如海上油田废水、印染废水、高浓度渗滤液、富含氨氮和氰化物的废水等，取得了良好的效果。电化学氧化技术借助具有电化学活性的阳极材料，能有效形成具有强氧化能力的羟基自由基，不仅能分解持久性有机污染物，转化为无毒的可生物降解物质，还能将其完全矿化为二氧化碳或碳酸盐等物质。
04.微电解水处理技术
20世纪70年代，前苏联科学家利用铁屑处理印染废水，从此，微电解开始应用于废水处理。我国于20世纪80年代开始该领域的研究，随着研究的深入，铁碳微电解处理废水的工艺已日趋成熟。在难降解工业废水的处理技术中，微电解技术日益受到重视，并在工程实践中得到广泛应用。
微电解的原理也比较简单，就是利用金属腐蚀的原理形成原电池来处理废水的过程。此法以废铁为原料，不消耗电力资源，有“以废治废”之意。具体来说，微电解法内部电解柱常采用废铁、活性炭作为填料，通过化学反应产生还原性较强的Fe2+离子，可还原废水中的某些氧化性成分；另外，Fe(OH)2絮凝可用于水处理；活性碳具有吸附作用，可吸附有机物和微生物；因此，微电解法就是通过铁碳构成的原电池产生微弱的电流，对微生物的生长代谢有刺激作用。内电解水处理法最大的优点是不消耗能源，而且该方法可以去除污水中的多种污染物和色度，同时提高难降解物质的可生化性。微电解水处理技术一般作为预处理方法或补充方法与其他水处理技术配合使用，以提高废水的可处理性和可生化性。但同时，微电解水处理也有缺点。最大的缺点是反应速度比较慢，反应器容易堵塞，难以处理高浓度废水。
铁碳微电解技术作为一种新型废水处理方法，最初应用于印染废水的处理，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、电镀废水、石油化工废水、农药废水、含砷、含氰废水等多种富含有机物的废水处理中也有大量的研究和应用。在有机废水处理中，新生态亚铁离子还原有机物中的氧化基团，起到吸附、絮凝、络合和电沉积的作用。微电解法不但可以去除有机物，而且可以去除COD，提高可生化性，为进一步处理创造了条件。
在实际应用中，铁碳微电解法已显示出其巨大的优势，有着良好的应用前景，但也存在着硬化、pH调节等问题，这些问题限制了该工艺的进一步发展，这就需要我们环保工作者进行进一步的研究，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。
05.电渗析水处理技术
电渗析（ED）是在直流电场作用下，利用半透膜的选择透过性，使溶液中带电溶质粒子（如离子）定向迁移透过膜，与水溶液及其他不带电组分分离，从而达到溶液浓缩、脱盐、精制和净化目的的过程。目前，电渗析技术已发展成为大型化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位，广泛应用于化工脱盐、海水淡化、食品、医药及废水处理，在某些地区已成为饮用水的主要生产方法。它具有能耗低、经济效益显著；预处理简单、设备耐用；装置设计和系统应用灵活、操作维护方便、工艺流程洁净、试剂消耗少、无环境污染、装置寿命长、原水回收率高（一般可达65-80%）等优点。
常见的电渗析技术有填料床电渗析（EDI，又称电去离子）；逆向电渗析（EDR）；液膜电渗析（EDLM；高温电渗析；螺旋电渗析；无电极水电渗析技术等。
利用电渗析法可以处理电镀废水、重金属废水等，从废水中提取金属离子等，既可以回收水和有用资源，又可以减少污染排放。万世贵等自制离子膜电解槽，研究铜生产中钝化液处理的可行性，结果表明，不仅可以回收铜和锌，还可以将Cr3+氧化为Cr6+，使钝化液再生。利用膜电解法从镀镍废水中电沉积镍。电渗析与离子交换相结合回收酸洗废水中重金属和酸的工艺已在工业上得到应用。王芳等设计了一种以阳离子树脂为主要成分、阴阳离子树脂分层填充的电去离子装置来处理重金属废水，可实现重金属废水的回收利用，并达到闭环循环、零排放。电渗析法还可用于处理碱性废水和有机废水。污染控制与资源利用国家重点实验室研究了利用离子膜电解处理环氧丙烷氯醇尾气碱洗废水，在电解电压5.0V下，经过3h循环处理，废水COD去除率可达78%，废水中碱回收率可达73.55%，为后续生化单元起到了良好的预处理作用。齐鲁石化公司利用电渗析处理浓度为3%～15%的高浓度复合有机酸废水，无废渣，无二次污染，所得浓缩液含酸量为20%～40%，可循环使用，废水中酸含量可降至0.05%～0.3%。四川化工有限公司采用专用电渗析装置处理浓缩废水，最高处理量可达36t/h。浓水中硝酸铵体积分数为20%，回收率大于96%，合格淡水排放水氨氮质量分数≤40mg/L。
06. 电吸附
电吸附技术（EST）又称电容式脱盐技术，是20世纪六七十年代开始理论研究，90年代末逐渐得到应用的一门新兴水处理技术，它以电化学中的双电层理论为基础，利用带电电极表面的电化学特性，分离去除水中的离子。
电吸附技术进行水处理过程中，水中的盐分大多以阴离子和阳离子（或正负离子）的形式存在。所谓电化学中的“双电层理论”，相当于在水中装了一个平板电容器。通过外加电压形成静电场，两个电极板分别带正、负电荷，迫使离子向带相反电荷的电极板移动，阴离子向正极板移动聚集，阳离子向负极板移动聚集，从而降低水体本身的盐度，达到脱盐的效果。
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，当原水流经阴极与阳极之间时，受电场的作用，水中的离子以相反的电荷向电极迁移，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多，离子在电极表面富集浓缩，最终实现盐与水的分离，得到淡化水。
在水处理行业中，电吸附技术可应用于以下领域：
1、饮用水深度净化——去除水中多余的无机盐，如钙、镁、氟、砷、钠、硝酸盐、硫酸盐、氯化物等，甚至使一些无机盐含量过高的水源得到有效利用；
2、市政或工业废水回用处理——对于COD、含盐量较高的工业废水，传统的水处理技术由于COD较高而影响盐的去除。电吸附技术抗污染性能强，对COD表现出一定的去除能力，因此可以去除污水中较高的盐分，而不受其影响；
3.工业水淡化处理——纺织印染、轻工造纸、电力化工、冶金等行业需大量的除盐水或纯净水作为工艺用水）；
4、循环冷却水系统补水预处理——降低补水含盐量可改善水质，从而进一步提高循环水的浓缩倍数，减少补水量及污水排放量；
5、循环冷却水系统废水回收再利用——将除盐废水重新用于循环冷却水系统，替代淡水，可减少新水消耗和废水排放量，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。
07. 光电化学氧化
光化学氧化是降解污染物的一种方法，包括无催化剂和有催化剂的光化学氧化过程。前者多采用氧气和过氧化氢作为氧化剂，在紫外光照射下氧化分解污染物。后者又称光催化氧化，一般可分为均相催化和非均相催化两种。较为常见的非均相光催化降解是向污染体系中添加一定量的光敏半导体材料，同时结合一定量的光辐射，使光敏半导体在光的照射下受激发产生“电子-空穴”对，吸附在半导体上的溶解氧、水分子等与“电子-空穴”相互作用并储存过剩的能量，使半导体粒子克服热力学反应的障碍，作为催化剂进行一些催化反应，生成氧化性极强的自由基如?HO，再通过污染物间的羟基加成、取代、电子转移等作用，将污染物降解。
光化学氧化包括光敏氧化、光激发氧化和光催化氧化三个过程。光化学氧化是在化学氧化和光辐射的共同作用下，比单纯的化学氧化和辐射显著提高氧化反应的速率和氧化能力的水处理技术。光氧化可以利用紫外光作为辐射源，事先在水中加入一定量的氧化剂如过氧化氢、臭氧或一些催化剂。它对去除染料等难以降解、有毒的小分子有机物有极好的效果。光氧化在水中产生许多高活性的自由基，这些自由基很容易破坏有机物的结构。
08. 电芬顿技术
电催化氧化废水处理设备主要基于（）催化氧化技术原理，是一种高级氧化技术处理工艺设备，主要用于高浓度、有毒、有机废水的降解处理。
试剂在1894年是由法国科学家发明的。试剂反应的本质是H2O2在FE2+的催化作用下产生羟基自由基（·OH）。连续产生Fe2+和H2O2的方法，它们立即反应于高度活跃的羟基自由基，这是有机物降解的，它的本质是直接产生芬顿试剂。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光谱技术（例如自旋捕获）在实用应用中，通过芬顿反应产生·OH的过程已被证实。
O2+2H ++ 2E→H2O2;
H2O2+Fe2+→[Fe（OH）2] 2+→Fe3 ++·OH+OH-，，
电 - 芬顿技术主要适用于原始水和浓缩液体的液体，以及来自化学，药物，农药，染料，纺织品，电镀等的工业废水。它可以与型号的液体疗法进行探究式均可依次使用，以改善生物的途径。垃圾填埋场渗滤液以及化学，药物，农药，染料，染料，纺织品，电镀等的工业废水的生化废水可以将CODCR直接降低到符合标准的排放水平，并可以与“脉搏电力罚款设备降低整体成本”结合使用。
+电化学水处理应用 -
1.含有持续有机污染物的废水处理技术
造纸，印刷和染色等行业的废水含有高浓度的有机物，复杂的成分以及许多难以治疗的难以治疗的难以治疗的物质。
在处理过程中，阳极表面可以执行多种转化功能，例如具有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，并有效地将其转化为非毒化和易于消化的物质。
在实际应用中，考虑到废水的电导率非常低，以提高溶液的电导率，因此通常有必要添加强的电解质（例如氯化钠，硫酸钠）以提高治疗效率和质量。
2.用于苯酚污染废水的电化学处理技术
酚类污染物由煤炭，纸质制造，塑料，陶瓷和纺织品产生的废水，含有酚类的化合物，例如酚类的衍生物，同时又有效果酚类废水的处理包括酚的初始浓度，废水的pH值，电流密度，支撑电解质的类型等。 oved。
3.硝基苯化合物污染的废水电化学处理技术
在生产药物，染料，染料，炸药和其他化学产品的过程中，含有硝基苯化合物的废水将产生。在现有的相关实验结果中可以找到废水，选择合适的电流密度后，硝基苯化合物的去除率非常客观，甚至可以使用90％以上。
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（CO），镍（NI）等。矿业，金属工业和其他工业的范围是繁重的元素，而不是人类繁重的食物。人类的健康状况一直是科学家的热门话题。质量转移率，改善当前的效率和治疗效果，使用三维电极来处理被铜离子污染和汞离子污染的重金属废水。
5.将电化学与其他方法相结合的废水处理方法
电化学处理还可以与其他方法相结合，以大大提高污水处理的效率和质量，这是学术研究的重点。电化学反应过程可以有效刺激微生物的代谢活性，从而促进生物处理的效率，因此，这两种方法的组合比处理难以生物降解的污水和不完整的电解的其他方法具有无与伦比的优势。
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