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行业动态

强化电絮凝技术的基础、现状和未来展望

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2022-3-24     浏览次数:    

电絮凝技术发展至今已有130余年的历史,是一种兼具化学絮凝和电化学技术特点的环境友好型水处理工艺

1889年,英国学者P. P. STROKACH首次提出了将电化学法应用在水处理过程中的理论;

1901年,英国学者H. EUGENE等提出了电絮凝(Electrocoagulation)净化废水的概念,并进行了处理工厂实际废水的应用研究;

1903年和1905年,美国学者J. T. HARRIS和F. B. HINKSON分别在美国获得了电絮凝水净化技术专利;

1911年,美国政府搭建了基于电絮凝技术的大型污水处理设施,并应用在俄克拉荷马州的圣莫尼卡和俄克拉荷马市,但高耗电量导致设施在1930年底全部停止运行;

1946年,电絮凝技术首次大规模应用于饮用水处理中,但再次由于技术不成熟和运行费用过高的原因未得到推广使用;

20世纪50年代后,美国和前苏联进行了大量深入而广泛的电絮凝技术研究,处理了河水、市政污水、石化废水和含铬废水等;

21世纪初,化学絮凝剂的快速发展和大规模使用,以及不发达的电力工业,导致电絮凝技术依旧发展缓慢;

至今,伴随电化学理论的逐渐完善、科技水平的稳步提升和电力工业的快速发展,电絮凝技术的发展不再受到严重制约,再次成为水处理工艺的研究热点。

相比于化学絮凝,电絮凝技术具备以下四方面的优点:

(1)原位反应且无二次污染。电絮凝剂是由牺牲阳极在电流通过时发生氧化电解,之后金属离子自发水解,原位生成金属氢氧化物。影响其性质的主要因素是电极材料的种类和水质特点(pH、阴阳离子和污染物种类等)。电絮凝过程不会有其他外源物质(如Cl-、SO42-和NO3-等)的引入,消除了阴离子的竞争,减少了水体可能受到的干扰,利于后续处理的进行。

(2)有效成分含量高。对于铝系絮凝剂,一般认为Al13是聚合铝中最有效的絮凝成分。而在商用铝盐絮凝剂的水溶液中铝的主要形态为Ala(单体和初聚体),Al13质量分数一般在30%~35%。相比之下,以铝为阳极的电絮凝过程,通过电解参数和搅拌强度等因素的调控,电絮凝剂可保持高含量的Al13,最高质量分数可达到70%~80%。

(3)污泥量少。电絮凝技术产生的絮凝剂有效成分含量更高,处理相同体积废水消耗的铁或铝的质量一般为化学絮凝的1/3。因此,产生的污泥量也会明显减少,通常情况下污泥减少量在33%以上。

(4)装置简单且操作简便。电絮凝装置运行的主要参数是电流和电压,整体工艺具有高度的可自动化控制水平,运行过程中的操作、维护和管理简单便捷,对工作人员的专业需求较低。

相对来说,电絮凝技术也存在一些不可忽视的问题,这些缺点限制了该项技术的进一步发展,主要为以下4点:

(1)电导率要求较高。在电化学技术中,保持电化学反应的进行即电流的流动,需要溶液必须具有较高的电导率。因此,溶液的电导率会直接影响整个工艺的污染物去除效率和运行成本。为了保证低能耗,目前电絮凝领域的研究多集中在工业废水(电镀废水、印染废水、餐饮废水和造纸废水等),在水源水和生活污水上的研究相对较少。

(2)阳极需要定期更换。由于阳极发生电化学溶解,长时间运行会大量消耗,若不定期更换。容易导致极板的破坏并进一步对水体造成污染。

(3)金属离子的残留。电絮凝过程中溶出的金属离子存在自发的水解过程,除生成具有絮凝效果的电絮凝剂外,会有部分金属离子溶解在水中。如铁离子和铝离子的残留分别会导致水体的高色度和对人体的毒性积累,因此一般需要后处理工艺保证出水中的铁铝残留量达标。

(4)阳极钝化。阳极钝化是目前限制电絮凝技术应用的主要因素。钝化膜的存在会导致阳极溶解速度减缓、电流效率降低和额外增加运行电耗。目前对于阳极钝化现象的理论解释主要为薄膜理论和吸附理论。

薄膜理论认为阳极表面生成的复合分子氧化膜会促使其电势发生突越,极化电流会消耗在电极副反应过程(氧的析出和高价反应产物生成等),导致了阳极溶解速率的明显下降。而吸附理论认为水中的氧、氧化物等粒子会吸附在阳极表面,改变金属-溶液的界面结构,造成阳极反应的活化能升高,从而出现钝化现象。两种理论的概念相近,区别在于阳极表面具体如何变化,目前为止还没有形成统一的权威理论。

基于以上的问题,电絮凝技术的研究已经逐渐由“传统电絮凝”向“强化电絮凝”的方向发展,在保证污染物高效去除的同时,进一步缓解电极钝化并降低系统能耗,提高电絮凝技术在工程应用中的实际价值。

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