铁碳微电解技术及其在处理工业废水中的研究进展

李子轩，王继全

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉 430070;2.湖北省工程咨询股份有限公司,武汉 430070)

随着工业化和城市化的不断发展，各种工业废水的排放量不断增加，对生态环境和人体健康都造成了很大的影响。因此，我们需要研究更加高效、经济的工业废水处理技术。铁碳微电解技术是一种有机废水预处理工艺，能够处理多种高浓度、难降解的工业废水，并提高废水的可生化性，实现“以废治废”的目标，被认为是一种绿色型、环境友好型的预处理技术[1]。该技术是利用处于溶液中铁碳材料存在点位极差，金属铁经过腐蚀而构成无数个微原电池，这些微原电池产生大量的电子和活性还原物质，能够还原废水中的无机污染物和有机污染物，形成胶体粒子，进一步经过吸附、絮凝、沉淀等作用进行净化，将水体中的污染物进行分离，从而达到去除污染物的目的[2]。由于该技术能够较好地处理浓度高、难降解、可生化性差的有机废水，且具有处理成本低、操作简单等优点，因此被广泛运用到各种难治理废水的预处理阶段。文章介绍了铁碳微电解技术的作用机理，综述了铁碳微电解技术的研究进展并总结了铁碳微电解技术在处理工业废水中的应用。

1 铁碳微电解技术的作用机理

铁碳微电解技术处理工业废水主要是通过原电池反应、氧化还原、絮凝、吸附沉淀和微电场附集效应等同时作用来对废水中的有机物进行降解。

1.1 原电池反应

在电解质溶液中，铁与活性炭同时混合存在，就会形成大量的微原电池。

铁作为阳极，发生氧化反应

Fe-2e-→ Fe2+E(Fe/Fe2+)= 0.44 V

(1)

Fe2+- e-→ Fe3+，E0(Fe3+/Fe2+)=+0.77 V

(2)

碳作为阴极，发生还原反应，当条件不同时，阴极产物也不相同。

厌氧条件反应为 2H++ 2e-→ H2，E0(H+/H2)=0

(3)

酸性有氧条件反应为 O2+4H++4e-→ 2H2O，E0(O2/H2O)=+1.23 V

(4)

O2+2H++2e-→ H2O2，E0(O2/H2O2)=+0.68 V

(5)

中性、弱碱性有氧条件反应为

O2+2H2O+4e-→ 4OH-，E0(O2/OH-)=+0.40 V

(6)

从不同反应条件下进行的不同反应可以看出，酸性有氧条件下阴极的反应电势大于厌氧条件和中性、碱性条件下的阴极反应电势，表明在酸性有氧条件下反应速率更快。

1.2 氧化还原

Fe表面以及反应中生成的Fe2+和[H]都有很强的活性。这些分子的存在改变了废水中有机物的结构，因此能够很好地对废水进行处理，达到降解有机物的目的。

1.3 絮凝、吸附沉淀

微电解过程中产生的Fe2+和Fe3+进一步生成氢氧化物胶体，能够作为絮凝剂吸附废水中的悬浮物，使得污染物沉淀，达到去除污染物的效果。同时，这些离子会与废水中的部分无机物反应生成沉淀，从而达到去除无机物的效果。如Fe2+和Fe3+与S2-、CN-等反应生成FeS、Fe3[Fe(CN)6]2、Fe4[Fe(CN)6]3等。

1.4 电场作用

铁碳微电解体系中，阴极与阳极之间会产生微电场，微电场的作用随着两极电位差的增大而增强。废水中的带电粒子、胶体粒子以及部分粒径较小的污染物会在微电场作用下朝着带相反电荷的电极移动，随后附集在电极上进行沉淀，从而去除部分有机物。

2 铁碳微电解技术的研究进展

2.1 传统铁碳微电解法

传统铁碳微电解法处理成本低，运行管理简单，目前广泛运用于降解工业废水的预处理阶段。邹东雷等利用制备的新型铁碳微电解规整化填料，处理含有苯系污染物的地下水，苯系物去除率可达80 %以上。Luo等[3]研究发现，铁碳微电解体系对硝酸盐的还原效率相比单独零价铁体系提高了63%。

传统铁碳微电解法也常用于污泥处理、重金属去除等方面。罗发生等采用铁碳微电解法处理制铜废水，结果表明，Cu2+、Pb2+、Zn2+的最高去除率分别可达到95.6%、91.8%和70.9%。Ning等[4]采用铁碳微电解法处理印染污泥，结果表明，污泥中的胞外聚合物被破坏，处理后提高了污泥的脱水性能，污泥的絮体结构也得到了改善。

传统铁碳微电解法对处理低浓度废水同样适用。蒋梦然等采用铁碳微电解法深度处理印染废水，结果表明，该技术不仅去除了废水中的COD(化学需氧量)，还减弱了废水毒性。

2.2 改性微电解法

传统铁碳微电解法虽然能够对工业废水进行处理，但处理效果不能达到废水的排放要求，因此需要对传统铁碳微电解法进行改进。部分学者在传统铁碳微电解体系中加入Al、Cu、Zn等金属对其改性，增加溶液中原电池的数量，提高催化反应的速率，从而达到提高废水处理效果的目的[5]。杨晓明等利用少量的羧甲基纤维素钠和烧结而成的铝碳粒，采用铝碳微电解法降解酸性品红模拟废水，在铝碳质量比1∶1、废水pH 10～11、焙烧温度在1 000 ℃的条件下焙烧2 h，结果表明，COD去除68.2%，色度去除90%。李彤等将锰粉加入到传统铁碳微电解材料中，制备出铁锰碳改性微电解材料，并将其用于处理1 000 mg/L的模拟对苯二酚废水，对苯二酚去除率可达到95.55%。相比铁碳材料，铁锰碳材料的去除效果有很大的提高，并且能够拓宽废水pH的适用范围[6]。

3 铁碳微电解技术在处理工业废水中的应用

3.1 印染废水处理

印染废水有机物含量高、含盐量高、色度大、成分复杂、可生化性差，并且具有毒性，是难处理废水之一。利用铁碳微电解技术对印染废水进行处理，具有高效、处理成本低、二次污染小等特点[7]。张键等采用铁和碳流化床反应器，对色度为1 500倍、CODCr为3 750 mg/L的原废水进行处理。结果表明，废水色度去除90%，CODCr去除77%。

3.2 医药废水处理

制药过程由于药品种类多、制药工序不同，因此产生的制药废水具有成分复杂、有毒性、可生化性差等特点。将铁碳微电解法用于处理医药废水取得了较好的效果。Xu等[8]利用铁碳微电解技术联合Fenton体系处理CODCr为15 000 mg/L的类胆固醇激素生产废水，在初始pH值为4、填料废水体积比为1∶1、气水比为10∶1的条件下反应180 min，CODCr去除了31.8%，B/C(BOD5(生化需氧量)/COD，表示废水的可生化降解特性)提高了70%，Fenton反应中CODCr去除了30.1%，B/C提高到0.59。

3.3 电镀废水处理

电镀废水中存在大量的有毒金属离子，污染物种类多，且不同工艺产生的电镀废水所含有的重金属离子不同。铁碳微电解技术因其处理电镀废水效果较好且不产生二次污染而得到广泛应用[9]。Wang等[10]应用新型的超重力电化学反应器使废水中的金属离子更好地混合，达到加快反应速度的目的。在外加电流10 mA/cm2、初始pH为11、转速为200 r/min的条件下，Cu2+、Cr6+、Ni2+的去除率分别为99.54%、97.85%和98.37%。

3.4 饮用水处理

目前，铁碳微电解技术在饮用水除Cr6+、硝酸盐等方面有相关研究。李春霞对利用铁碳微电解技术去除饮用水中浓度为1 mg/L的Cr6+进行了研究。结果表明，在铁碳质量比7∶3、固液比为14∶100、25 ℃的条件下，Cr6+可去除95%左右。

4 结 论

铁碳微电解技术作为一种经济环保的水处理技术，具有设备简单、适用范围广、可重复利用等特点，目前已广泛应用于处理印染废水、医药废水等行业废水。在此综述中，铁碳微电解技术处理工业废水的反应机理对新型微电解技术的研究和与其他工艺联合的实际应用都有意义。因此，在未来的研究中，需要寻求与其他工艺联用的方案和新型微电解材料，在提高处理效果的基础上降低成本，扩大其应用范围。