便携式电凝聚饮水机的研制

张 璟,丁忠浩

(武汉纺织大学环境与城市建设学院,湖北武汉430073)

1 引言

1.1 国内外水资源现状

水资源是世界上分布最广,数量最大的资源。水覆盖着地球表面70%以上的面积,总量达15亿km3;也是世界上开发利用得最多的资源。现在人类每年消耗的水资源数量远远超过其他任何资源,全世界用水量达3万亿t。同时,水也是地球上许多地区的稀缺资源。地球上水资源的分布很不均匀,各地的降水量和径流量差异很大。全球约有1/3的陆地少雨干旱,加上人类活动的破坏和污染,缺水问题困扰人类,我国是全球13个严重缺水的国家之一。

运用科学技术比如电凝聚饮水等技术是解决洁净饮水的途径之一。

2 电凝聚法处理微污染水源水技术

2.1 电凝聚法原理

电凝聚技术具有许多传统水处理工艺所没有的优势,能同时除去或降低有机物、细菌、色度、重金属等有毒物质。在常规的水质净化中,一般投加混凝剂,压缩胶体的双电层,并通过吸附架桥作用,形成较大的矾花,使之沉淀去除。通常的混凝剂为固态或半液态,需专用的溶解池,并在溶液池调制成一定的比例后再通过专用计量设备投加,运行和管理比较复杂[4]。而采用电凝聚可以通过改变电流密度控制混凝剂的量,可以省去常规的溶解、调配、计量等一系列设备,操作管理方便。

2.2 组合工艺及设备结构参数

2.2.1 组合工艺的确定

对于给水工艺来说,组合是很好的方法。电凝聚方法能有效地去除水中的各种污染物包括有机物和各种离子,如果与其它工艺相组合,形成更加好的处理效果,就可以将它应用在实际当中[5]。电凝聚杀菌效果很好,但杀菌率也只能达到91%,如果结合紫外线杀菌就可使杀菌效果几近完美。对于有机物及水中其它杂质如在最后加上膜处理,在电凝聚过程中增加气浮,增大电凝聚池的分离效率,就再无后顾之忧[6]。最后确定了以下的组合工艺,见图1。

图1 电凝聚法处理微污染水工艺流程图

2.2.2 电凝聚的工艺参数

通过实验结果[7],并结合文献数据,可以得出当电凝聚的电流密度I为1.5h,即1.16mA/cm2的时候 ,处理时间 t通电为 10m in,沉降时间t沉降为10m in,这时的处理效果为最佳效果。这时的单位体积水所耗的电量为：Q=I＊L＊t=9.4x×1×10×60C/m3=5 640C/m3.

2.2.3 设备的主要结构参数

设计的饮水机要满足不断的供水需要,就要使进水速度即处理速度等于出水速度。这样依照习惯,取出水速度等于1L/min,也就确定了处理速度为1L/min。供水设备的电凝聚槽的体积为V1=v◦t通电=1×10L=10L。同理可得,沉降槽的体积V2也为10L。贮水池的体积V3可依照习惯取2L。在制作供水设备的具体制作当中,依照实际情况做了适当调整。(箱体尺寸为280mm×360mm×250mm)最后的设备结构示意图和流程示意图如图2、图 3。

2.2.4 便携式供水设备对微污染水的处理效果

研制出便携式供水设备后,分别用该设备对长江水、东湖水进行了处理。经湖北省卫生防疫站检测,其出水完全符合《中华人民共和国生活饮用水水质卫生规范》(2001年)。检测结果见表1、表2。表1设备进水为东湖水,设备出水为东湖水经设备处理后的净化水;表2设备进水为长江水,设备出水为长江水位没有处理后的净化水。

图2 便携式供水设备结构示意图

图3 便携式供水设备流程示意图

表1 设备对东湖水的处理情况

结果汇总：东湖水经该设备处理后,所检指标均符合《生活饮用水水质卫生规范》(2001)的规定要求。

表2 设备对长江水的处理情况

结果汇总：长江水经该设备处理后,所检指标均符合《生活饮用水水质卫生规范》(2001)的规定要求。

3 电凝聚法处理微污染水源水机理分析

3.1 电凝聚法去除水中有机物及悬浮物的机理分析

3.1.1 电凝聚过程分析

在电凝聚过程中[8],电极的作用表现在2个方面：电极是电子的传递者,氧化、还原反应可以在电极表面进行;电极表面是“反应区域”,起着相当于多催化反应中催化剂表面的作用。一般来说,电极反应由下列单元步骤串联而成：反应离子或反应物向电极表面迁移(液相中的传质步骤);反应离子或反应物在电极表面吸附(表面转化步骤);在电极表面得到或失去电子,生成反应产物(电化学步骤);反应产物在电极表面上脱附或在表面附近的液层中进行化学变化(表面转化步骤);反应物生成新相,并自表面向溶液内部传递(液相中的传质过程)。

当用铝电极进行电凝聚处理时,铝离子大量溶于水中,所形成铝络离子凝聚作用较强,水中COD和浊度的去除率较高,也就是电凝聚过程中废水里的铝离子及其各种络离子的量是影响电凝聚效率的关键因素。在试验过程中仔细观察发现电凝聚槽里有微小的气泡发生,是水中的离子或基团 在电凝聚过程中发生了电化学反应,被还原成气体所致[9]。由上可见,当用铝板作电极进行电凝聚处理时,阳极上的反应：

A l→A l3++3e,

A l3++6H2O→[A l(H2O)3]3+.

阳极上的副反应：

C l-+2OH-→ClO-+H2O+2e,

C l-→Cl2+2e.

阴极上的反应：

O2+2H 2O+4e→4OH-.

阴极上的副反应：

A l3++6H2O+6e→2A l(OH)3+3H2↑.

阳极副反应的产物是次氯酸盐,它是一种强氧化剂,能将水中的有机物氧化分解成分子量较小的有机物和变成无害成分[10]。电解过程中新生的氢氧化铝凝聚作用强,可有效地吸附和絮凝水中的胶体有机物及悬浮物,强化浮上分离及沉降效果。阴极副反应的产物是氯气,它溶于水中生成次氯酸,同样也能氧化水中的有机物。电凝聚前后水的色度明显降低,得益于在阴极上还发生还原反应,使氧化型色素还原成无色。

3.1.2 A l3+的絮凝吸附机理

用电凝聚法得到的铝络合离子有很高的吸附活性,其吸附能力高于一般药剂水解法得到的 A l(OH)3的吸附能力[11]。电凝聚法降低微污染水中COD的机理与混凝法有很大类似,它主要是借助于电化学反应产物的凝聚作用。电解过程中,pH值为6.9～8,这样,在由[A l(H2O)6]3+最终趋于 A l(OH)3◦(H2O)3的中间过程中,羟基可把单核络合物通过桥键缩聚为多核络合物：

上述缩聚反应的连续进行,将使络合物逐渐形成高分子聚合物。这种高聚合物具有线型结构,通过范德华引力、氢键、物理、化学的吸附作用吸附水中的胶体与悬浮物[12]。另外,电解生成的A l3+和OH-最终可生成A l(OH)3胶体凝聚剂,在适当的pH值条件下,它吸附水中的胶体与悬浮物的铝高聚物逐渐形成絮花,最后得以沉降。从DLVO理论(The Derjaguin Landau and Verwey Overbeck Theory)对胶体系统的描述来看,其基本特征是：具有一定分散度的多相系统,是一个热力学不稳定系统。在胶体系统中聚结的倾向总是大于分散的倾向。

3.1.3 电气浮原理

微污染水在电解时,由于水的离解及有机物的电解氧化,在阳极、阴极表面会产生大量的微小气泡,析出气体,这些气泡在上升过程,可俘获、粘附水中大量的杂质微粒及有机物浮到水面,从而达到分离的效果,反应机理如下[13]：

阴极：2H++2e→H2↑,

2A l++6H2O→2A l(OH)3+3H2↑.

阳极：4OH--4e→2H2O+O2↑.

另外,微污染水在直流电作用下,电解氧化时,有机物可产生CO2,氯化物可产生Cl2。产生的气泡粒径很小,密度也很小(见表3)。因此这些气泡具有强大的俘获、浮载的能力。

表3 几种气浮法产生的与平均密度的比较

这些气泡对电凝聚过程产生的聚团、水中的悬浮物产生承载作用,带着这些颗粒上升到水面,类似选矿中的浮选作用[14]。因此,电凝聚过程中的矾花在一定时间内是浮在水面上,而不是沉在底部。经过较长时间后,由于气泡的破灭,水面上的矾花失去原来的承载力,又慢慢地沉到底部。电凝聚产生的气泡粒径小、不易破裂,故矾花由水面沉到底部的时间是较长的,一般要几个到几十个小时。

3.2 电凝聚法杀菌机理分析

用电解法对饮用水进行杀菌、消毒,目前在国内研究不多。日本TsuzukiKoichi研究了用电解法杀灭微孢藻藻类,使水纯化,在电压为10V,电解时间为5min时,湖水中细菌的去除率达98%,游离氯达10mg/L,这也意味着电解产生的游离氯起着非常重要的作用。傅金祥等也发现随着水中Cl-增大,杀菌效果愈明显[15]。研究中随机测试了部分电凝聚出水的游离氯,一般大于0.05mg/L。对于电凝聚杀菌机理比较复杂。电极反应中产生的Cl2、Cl-、HCl对杀菌的作用不容质疑。另外在阳极反应中生成的O2也不能完全忽视。这是因为产生的O2水解在阴极还原产生过氧化氢阴离子,过氧化氢阴离子可进一步分解过氧化氢等活性物质,另外过氧化氢可在还原态金属离子的作用下形成羟基自由基。羟基自由基很活泼,几乎可以和任何活细胞的分子反应,从而破坏细胞膜并渗透到细胞内破坏有机物的链状结构,从而使微生物死亡。另外,微生物在水中一般表现为带负电,因此会向阳极迁移、聚集而造成生物放电直接死亡,或因处于电流导通路上遭受高速运动的电子的冲击死亡。

3.2.1 氯杀菌

电解含氯废水,产生CLO-和少量更高价的氯盐。在电解过程中阳极上发生如下反应：

2CI—2e→Cl2,Cl2+H2O →HCIO+HCI.

OH-离子扩散到阳极周围的液层中与HCIO反应生成CIO-：

HCIO+OH-→H 2O+CIO-.

并有可能进一步反应生成氯酸：

12CIO-+6H 2O-12e→4HCIO3+8HCI+3O2.

所产生的HCIO和HCIO3均是强氧化剂,对微生物有较强的杀灭效果。

3.2.2 氧化物杀菌

电解过程产生H 2O2或◦OH和O2,

H2O2-e→◦OH+H+,◦OH+◦OH→H 2O2.

或在电解和催化作用下生成H 2O2,再转化成氧化性极强的羟基自由基◦OH：

H2O2+e→◦OH+OH-,H2O2+◦OH→H2O+HO2

H2 O2和◦OH均有强杀菌作用。另外,还产生了超氧阴离子O2-等其他活性物质,这可能是水在电解过程中除产生极化现象外,其中的溶解氧得到了活化。以上两种均属间接杀菌作用。

3.2.5 电杀菌

电解直接作用于细菌活细胞体,破坏某个细胞器,致使细菌死亡(例如电离细胞质,脉冲电压击穿细胞膜等)。尤其是在吸附-电解杀菌装置中,吸附剂一般有大量的过度孔和微孔,有较大的物理吸附能力。细胞被吸附在聚集吸附区内有利于集中电解杀灭。细菌的电解杀灭,又恢复了吸附剂的部分吸附能力,发生“自我再生”作用。

4 结语

电凝聚技术还存在许多不足之处：需要定期更换电极;溶液要保持一定的电导率;耗电量较大等。为此,今后应对电凝聚过程中的物理、化学过程的机理进行深入研究;对电极材料、极化方式以及各种因素着手,寻找新的电极材料;将电凝聚与传统工艺结合,发挥各自特长。随着电凝聚技术的进一步完善,在生活中的应用将更加广泛。

[1]王金南.中国环境政策[M].北京.中国环境科学出版社,2004.

[2]蓝文艺.环境行政管理学[M].北京：中国环境科学出版社,2004.

[3]国家环境保护总局.中国环境状况公报[R].北京：国家环境保护总局,2008.

[4]黄丽华,张为民,赵素芬.电凝聚法处理地下微污染水中总磷的技术研究[J].环境科学与管理,2007(6)：71～72.

[5]吴辛初,朱惠琴,张寿恺.药剂-电凝聚法对饮用水除氟的研究[J].上海环境科学,1986(3)：37～38.

[6]张寿恺.电凝聚法净化饮用水新工艺[J].环境保护,1981(6)：61～62.

[7]卢寿慈,翁 达.界面分选原理及应用[M].北京：冶金工业出版社,1992.

[8]韩庆生,陶英初.污水净化电化学技术[M].武汉：武汉大学出版社,1988.

[9]丁忠浩,张惠灵.电凝聚对微污染水杀菌消毒效果的实验研究[J].武汉科技大学学报：自然科学版,2001(3)：161～162.

[10]赵素芬.电凝聚去除微污染水中浊度的试验研究[J].工业安全与环保,2003(10)：10～ 11.

[11]丁忠浩,张惠灵.电凝聚法降解味精废水中COD的研究[J].武汉科技大学学报：自然科学版,2001(3)：171～172.

[12]张 燕,王志奇.微污染水源水的控制技术[J].环境污染与防治,2001(4)：39～ 40.

[13]任连锁,郑 杰.电气浮处理含油污水技术研究与应用[J].小型油气藏,2006,11(1)：58～60.

[14]曲久辉,刘会娟.水处理电化学原理与技术[M].北京：科学出版社,2007.

[15]熊方文,余蜀灵.脉冲电解工业污水技术[J].工业处理,1990(2)：81～ 82.