电化学水处理技术的研究进展与应用现状

李思琪

(沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168)

随着电力企业的迅速发展，电化学水处理技术的发展也逐渐成为电力领域不可或缺的一种新型技术，对人类社会发展起到了重要作用，因此得到人们广泛关注。电化学法是一种高级氧化技术，具有氧化能力强、工艺灵活、易实现自动化等优点，目前电化学氧化、电絮凝、电渗析等工艺在处理难降解废水等领域已经获得一定的研究成果且得以广泛应用，但是在饮用水处理领域还有所欠缺。近年来在处理饮用水方面的研究也逐渐开展，尤其是对于电化学氧化法的运用。

1 电化学水处理技术的分类

1.1 电化学氧化水处理技术

电化学氧化法分为直接氧化和间接氧化2种。直接氧化，也就是使水中的污染物直接在阳极上失去电子发生氧化，以此达到处理效果。而间接氧化则比直接氧化过程复杂，是利用溶液中的Fe2+、Cl-等离子在阳极失去电子生成强氧化性物质，如羟基自由基、活性氯等，进而将溶液中的污染物通过氧化去除。一般情况下，2种方式同时存在并起作用。大部分饮用水处理的研究都是利用电化学氧化这一技术来实现。如，李军幸等进行了微电解法去除地下水中铁锰离子的试验发现，羟基自由基对铁锰的去除起到很大作用，水中铁锰得到了一定的去除，这为电解-过滤法除高锰地下水提供了一定依据。

目前电化学氧化水处理技术是一种最为常见的电化学水处理技术，可以解决常规水处理技术不易解决的水处理方面的难题，同时也是一种可以实现污染物超低排放要求的水处理技术，也对构建“碳中和”水处理技术模式具有很重要的研究意义，是电化学氧化未来的研究方向。

1.2 电絮凝水处理技术

电絮凝法的作用原理是在电解过程中可溶性阳极极板失电子，在电极表面产生大量的金属阳离子，与在阴极的电子产生的OH-发生聚合反应，生成多核羟基络合物及氢氧化物，二者作为絮凝剂，使水中的悬浮物和有机物通过絮凝作用去除。此过程与传统的絮凝过程相似，但电解絮凝的效果更好。

电絮凝水处理技术现今被广泛应用于污废水处理领域，尤其是工业污水，如制革、印染、电镀等污水，多用来废水预处理和二级出水处理中去除悬浮性颗粒物质、重金属等。但是在给水处理领域却很难得到应用，主要原因是给水水质要求高，电絮凝技术在水处理过程中会产生起作用的金属阳离子，金属离子进入水中很可能产生二次污染，所以此方法并不是很适合用于给水处理领域。另外，电絮凝水处理技术一般与生物法和其它处理技术相结合以达到处理的目的，电絮凝技术在运行过程中会损耗大量电能并产生电极的损耗，同时也会造成二次污染，这也是限制电絮凝法大规模广泛应用的主要原因。所以，未来电絮凝水处理技术的研究方向主要是减少电极损耗，提高电极效率，或者与其它处理技术耦合用以提高处理效率或处理具有更高水质要求的饮用水。

1.3 电气浮水处理技术

电气浮水处理技术主要是利用电解作用，在直流电场的作用下在阴极和阳极的表面产生许多微小的气泡，在这些微小气泡上浮的过程中带走水中的部分悬浮物质和油类，使其悬浮在气泡表面，使其上浮去除。

电气浮技术一般与其它处理工艺相结合以达到更高的处理效率。李舵等采用电气浮-微电解-生化组合工艺联合处理农药废水，在实验室条件下COD的去除率可以达到99.1%，NH3-N去除率达97.5%，并且可以长期保证处理效果稳定。出水水质符合污水综合排放三级标准。高珊珊的电絮凝-电气浮工艺处理微污染含藻水研究表明，对于去除微污染含藻水中的藻类，这种方法是行之有效的，并且该技术净水效率高、灵活性高、设备简单。未来可以应用在中小型水处理厂或者富营养化的水源处理中，可以有效提高供水的安全性和可靠性。

1.4 电渗析水处理技术

电渗析法是一种利用离子交换膜分离溶液中电解质的电化学水处理技术。整个处理装置主要由电极、阴阳离子交换膜和特制的隔板构成。在直流电场作用下，以电位差为动力，利用离子交换膜的选择透过性把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。关莹对电渗析法深度处理农药生产废水进行了研究，结果表明，当电渗析反应器在对农药生产二级处理出水进行处理时，盐分脱除率达到95.8%，总碳去除率达到72.3%，出水水质比较好。另外，也可以将电渗析技术与电化学氧化技术相结合，与传统电渗析工艺相比，能有效降低废水中的有机污染物，并且能耗低、出水电导率低。

1.5 电吸附水处理技术

电吸附法的作用原理是在外加电场的作用下使水中的带电粒子朝带相反电荷的电极附近迁移，进而导致水中的带电物质被吸引到电极上，通过使水中的带电物质在电极表面被吸附来实现污水净化目的。徐永清等研究使用电吸附工艺处理焦化废水，结果表明，电吸附法对焦化废水中的无机盐离子和有机污染物处理效果比较好，并且处理效率高、周期短，具有很好的应用前景。同时，该处理技术能耗低、处理效率高，目前在对于工业废水的处理上已经取得较好的处理效果，但对于生活污废水的处理还有待完善，未来的研究重点应该放在提高吸附容量、提高去除效率、研究更加经济高效的电极材料等方面。

2 电化学水处理技术的优势

2.1 应用广泛

电化学水处理技术主要是利用电化学和氧化还原法的原理达到去除水中污染物的目的。其不仅可以应用在污水处理中，也可以应用于部分饮用水的处理或者化工生产的某一流程。

2.2 工艺灵活

电化学水处理技术涉及方面很广，并且氧化能力强，净水效果比较好。可以根据处理的水质、环境、处理要求选择合适的处理技术，以达到最高的处理效率、最低的成本，以争取最高的经济效益。

2.3 无二次污染

电化学水处理技术在净化水的过程中产生的部分物质可以循环利用，另外，其产生的氧化性物质大多为游离的电子，不会产生其它有害物质，所以电化学法污染性较低，符合低排放的要求，适应当今绿色发展的需求。

2.4 操作简单

电化学水处理技术工艺简单，反应条件温和，只需通入直流电源即可，不需加压和催化就可以使反应正常进行。因此，电化学技术操作简单、易掌握，反应过程也容易控制。

综上所述，电化学水处理技术具有氧化能力强、操作简单、无二次污染、工艺灵活、装置启动迅速、后续处理简单、处理条件温和以及容易实现自动化等优点，并且装置占地面积小，可与其它方法相结合，以形成降解能力强的复合工艺。

3 电化学水处理技术的应用现状

电化学水处理技术目前已经成为处理难生物降解、有毒、有害、高浓度、高色度和高COD有机废水的优选技术。电化学技术在污废水处理领域已经得到很好的发展，在处理垃圾渗滤液、高浓度印染废水、化肥废水等领域都有一定的研究应用。下面列举了几个电化学技术在水处理领域的相关研究。

3.1 电化学水处理技术处理有机废水

李强等运用电解法处理鱼粉废水，通过单因素影响实验和正交试验的方法确定了4个因素对COD的影响，依次为pH、电解质投加量、电压、电解时间。在实验室条件下，电解法处理鱼粉废水取得了较好的有机物去除效果，具有工业应用的前景。

王世真研究电化学法处理硝基苯废水，实验采用活性炭为填充粒子，利用自制的电化学反应器处理硝基苯模拟废水，结论表明，在电流为1.5A、处理时间为3h、pH为5时处理效果最佳，去除硝基苯的效率可达90%左右，可见处理效果还是相当可观的。

3.2 电化学水处理工艺处理工业废水

Daniel Villalobos-Lara等制作环形电絮凝反应器去除制革污水中高浓度污染物，利用铝板作为阳极材料，通电后，阳极产生大量的金属离子Al3+，可以自发发生反应并产生氢氧化物及聚氢氧化物。不溶性的氢氧化铝悬浮于水中，通过络合及静电作用使污染物凝结，再经过沉淀池去除。

曾诚等研发了电化学和紫外线技术联用处理化工废水，相较于单个的电化学水处理技术及紫外线处理技术，对于化工废水中的有机物质处理效果更好。其去除原理主要是通过电化学法将废水中的Cl-转化为ClO-，而ClO-离子又可以在紫外光的照射下产生强氧化性的物质，利用这些强氧化性物质将污染物氧化。

3.3 电化学水处理技术处理含重金属离子废水

Jiancheng Shu利用电化学法处理电解金属锰废水，可同时除氨氮和二价锰离子，二价锰的去除率可达到99.1%；试验中，向废水中投加氯离子及次氯酸根离子对废水中的污染物进行初步氧化，在电解过程中阳极可以产生氯气，与水反应后生成具有强氧化活性的次氯酸及次氯酸根，进一步发挥作用。此方法一定程度上验证了电解-过滤处理高锰地下水方法的可行性。

李军幸等关于微电解法处理地下水中铁锰离子的文章表明，微电解法产生的羟基自由基把铁锰离子进行氧化去除，但是该技术对铁的去除率可达70%～80%，而锰离子的去除率仅达到40%～50%，处理效果可见一般，但是这却为电化学水处理技术在饮用水领域的应用与发展提供了参考价值。

4 总结与展望

电化学水处理技术氧化能力强、工艺灵活、无二次污染、占地面积小，不易受外界环境干扰并且容易实现自动化，目前电化学法在污废水处理领域已经取得了一定的研究进展和相应的工业应用，但在饮用水的处理领域还未得到一定的研究和发展，原因有其处理效果不是很稳定，并且处理时能耗及成本等问题。虽然这些方法还没有在饮用水处理领域得到广泛应用，但是近几年人们对这方面的研究更加关注，使其向高效率、低能耗、低成本、更易于规模化生产的方向发展。另外，未来关于电化学处理技术的研究重点应该放在以下几个方面。在运行过程中电极材料消耗过多，能耗高，导致水处理成本过高，这也是电化学水处理技术难以广泛推广应用的主要原因，所以未来的研究重点应该放在研究出新型的高催化活性并且价格低廉的电极材料上；关于电化学反应机理的研究还有欠缺，由于在电化学反应的过程中，产生的许多中间产物无法及时检测到，所以对于电化学反应的机理还需进行更加深入的研究；另外，在处理废水时，应该加强电化学处理技术与其它水处理技术的联用，取长补短，灵活运用，以增加水处理的效果。

随着电力企业的不断发展，新型电极材料的研制，电化学反应机理的深入研究，以及与其它处理技术的联用，电化学水处理技术一定会有更加广阔的发展前景。