电絮凝技术去除水中无机污染物的新兴应用

陈一鸣

电絮凝技术去除水中无机污染物的新兴应用

陈一鸣

（沈阳建筑大学，辽宁 沈阳 110168）

电絮凝法（EC）具有效率高、去除污染物种类范围广、设备操作及维护简单、易于实现自动化等优势，现已成为处理废水中悬浮颗粒、可溶性无机污染物以及有机污染物等的有效方法。EC方法的性能取决于几个重要参数，包括电流密度、pH值、运行时间和搅拌速度。强调了EC技术与其他先进技术的集成，以达到更高的去除效率。对电絮凝技术的主要和次要反应进行了讨论，并提出了几个重要的操作参数、EC技术的新兴设计、运行条件和技术经济分析。建议未来研究其他参数对EC技术的影响。

电絮凝法；无机污染物；絮凝剂

提供足够的清洁水是人类面临的最重要的自然资源问题之一。无机污染物可能会给人类健康造成相当大的问题[1]。如果无机污染物的浓度（铬、锌、铅、汞、砷和其他重金属）超过世界卫生组织规定的水平，还将对公共卫生和环境产生影响[2]。因此，迫切需要开发可靠和具有成本效益的方法来处理各种类型的水和废水[3]。一般来说，有几种方法是在发表的研究中去除各种无机污染物[4]。这些技术可分为物理技术和化学技术，包括沉淀、蒸发、膜分离、离子交换和吸附[5]技术等。然而，上述大多数方法的优点为有效地去除小颗粒，所使用的化学品易获得，缺点为产生高污泥，处理时使用一些化学品成本昂贵等。目前，与其他物理和化学工艺相比，对受污染水的电化学处理技术的需求更高。这些方法具有节能、耐用性、自动化能力、可用性和成本效益[6]。有几种电化学技术可有效去除水中的无机物，包括电浮选（EF）、电氧化（EO）和电絮凝（EC）。EC方法是通过电化学过程消除污染物的最常见机制[7]。EC工艺于1946年在美国首次用于去除饮用水中的颜色。然而，调查显示，由于当时经济激励措施不足和环境意识水平较低，EC并不适用于工业。1980年，EC成功用于北美的采矿和金属加工业[8]。在过去的10年里，人们对不同类型的污染物进行了一些广泛的研究[9]。EC过程包括溶解牺牲阳极，以提供活性金属氢氧化物作为一种强絮凝剂，使污染物絮凝，然后将它们分离[10]。EC具有传统絮凝和电化学方法的优点，在EC中不需要添加剂，因为电子是主要试剂。与化学絮凝相比，EC技术也被认为是一种创新。然而，以往使用EC的研究大多是基于由静电电极和磁性搅拌器搅拌溶液的传统反应器[11]。传统电极的最大缺点是它们需要较长的反应时间才能有效地处理污染物[12]。本文主要目的是探究EC技术在处理水中无机污染物方面的潜力，概述了在电极制备和配置方面的最新进展。

1 电絮凝技术的概念

电絮凝（EC）技术在从各种水源（城市水、废水、湖水、河水和海水）中去除污染物（有机和无机）方面具有很高的潜力，已证明适用于高盐水预处理或海水淡化以降低污染损坏膜的成本[13]。关于EC技术的文献表明，EC仅以实验室和试点工厂的规模可用[14]。因此，在更大规模上实施EC技术需要进一步的关注。从从业者的角度来看，这可能归因于之前的大多数工作，他们使用了基于由静电电极和磁性搅拌器组成的传统反应器的EC技术来搅拌溶液。传统电极的主要缺点是它们需要较长的反应时间才能有效地处理污染物。长时间的反应可能导致电极表面被动积累的增加（钝化现象的发生）和污泥的产生。电极钝化是EC技术最常见的缺点之一，它会降低水处理性能，电极钝化增加了EC电池的电阻，从而增加了所需的电位，它会导致整体能量和电极材料的额外消耗。

2 无机污染物的去除机制

在过去的几十年里，许多研究澄清了从各种水源中去除无机污染物的固有过程[15]。一般来说，是通过还原剂的电氧化在溶液相原位形成絮凝体。该方法与传统的水处理絮凝机制密切相关[16]。EC技术是一种电化学程序，使用最小的电荷来去除不添加化学物质的污染物。带电粒子和离子被具有相反电荷的离子中和，导致沉淀。形成絮凝剂的过程包括一些同时发生的电化学反应[17-18]。EC处理的机制被分为两种反应。根据电流密度，产生的离子会进一步形成相应的羟氧化物。其中一个离子用M表示，即铝、铁、钛、锌、钢或不锈钢。M2+通过阳极处的M氧化作用溶解在处理后的废水中。Al(OH)3、Fe(OH)2、Ti(OH)2、Zn(OH)2、St(OH)2和SS(OH)2由下面的方程（1）至（7）形成。这些方程式说明了在阳极处的氧化反应：

SS→SS2++ 2e−； （1）

Zn→Zn2++ 2e−； （2）

Mg→Mg2++ 2e−； （3）

Ti→Ti2++ 2e−； （4）

Fe→Fe2++ 2e−； （5）

Fe→Fe3++ 3e−； （6）

Al→Al3++ 3e−。 （7）

在高阳极化电位的情况下，阴极中的水还原反应产生了氢气，如式（8）、式（9）所示：

2H2O + 2e−→2OH−+ H2； （8）

2H++2e−→ H2。 （9）

还原反应产生的OH−特别重要，因为电解池中pH的增加有助于溶液中各种金属(M)羟基配合物的产生，还原反应Zn2+和Mg2+在阴极上以方程式如式（10）和式（11）所示：

Zn2++ 2H2O→Zn(OH)2+ 2H−； （10）

Mg2++ 2H2O→Mg(OH)2+ 2H−； （11）

此外，非晶形絮凝剂絮凝体形成的高表面积也会吸附可溶性离子或捕获胶体通过第三种方法从水溶液中提取颗粒。聚集物的产生依赖于由范德瓦尔斯和双层力的组合组成的分子间相互作用[19]。最简单的准则是对称的方法，其中双层力是排斥性的，范德华力是吸引人的。然后，吸引力必须超过排斥力才能建立聚集体。此外，由于双层力的双重存在，异质聚集机制要复杂得多，这可能是吸引、排斥，或两者共同存在[20]。在EC配置中使用了几个组件。一般来说，在所有的Fe(III)中，Fe(OH)3和Al(OH)3是已知的有利的絮凝剂成分，主要负责消除无机污染物。与其他材料或化学品相比，它们能有效地去除各种污染物，并具有成本效益。因此，它们通常被用作阳极和阴极，以产生表面复合物。Al3+离子与水反应形成阴离子、阳离子或中性配合物如下：

Al3++ H2O→Al(OH)2++H+； （12）

Al(OH)2++H2O→Al(OH)2+H+； （13）

Al(OH)2++H2O→Al(OH)3++H+。 （14）

阳离子在水中水解形成氢氧化物，有不同的羟基配合物，包括单体和聚合物，如Al(OH)2+、Al2(OH)24+,、Al3(OH)45+、Al6(OH)153+等。因此，铝羟基是最有效的吸附剂，具有吸附各种水资源中的有毒金属的能力，同时在这些过程中也没有可能出现次生水污染物。

3 无机污染物的去除

电絮凝是一种电化学驱动技术，通过牺牲阳极的电溶解产生絮凝剂。EC过程是基于胶体系统的形成和聚集，而絮凝剂的使用增强了其进一步的絮凝。EC主要通过两种机制去除无机污染物：表面络合和静电吸引。去除机理是，金属氢氧化物凝凝剂的不溶性絮凝体自发形成。其他过程包括吸附和污染物金属氢氧化物直接沉淀。络合机理表明，重金属可以作为絮凝剂水合迁移的配体，即Al(OH)3或Fe(OH)3来创建一个复杂的曲面。这些配合物的形成伴随着主要聚集体的形成和絮凝剂的沉淀，允许从水相中分离出无机污染物。当污染物与氢氧化铝相互作用时，水解的铝离子可以形成大的Al-O-Al-OH网络，可以化学吸附污染物，然后形成沉淀，促进在反应器中污染物的电迁移、运输和沉淀。带电的无机污染物也可以通过沉积在相对带电的电极上来去除[21]。

4 参数的影响

考虑到EC工艺仍仅在实验室和试点工厂的规模上可用，建议未来的研究应集中在影响参数的优化上，从而提高EC的大规模应用潜力。

4.1 转速和搅拌器的速度

搅拌的目的是有效地将电极溶液产生的絮凝物质转移到反应器[22]。搅拌速度也可以使设备变量，如温度和pH均匀化。高速度会破坏反应器絮凝体，形成难以从水中提取的小絮凝体。ALJABERI[23]等分析了转速对机器输出的影响，发现当电流密度为0.5 mA·cm-2时，100 r·min-1的去除效率约为74%，150 r·min-1为85%，250 r·min-1为69%。AL-RAAD[24]等研究了搅拌速度对硫酸盐的影响，当速度从 250 r·min-1提高到500 r·min-1时，达到了最大的处理性能（高达90%的去除率）。搅拌从速度500 r·min-1增加到750 r·min-1时，去除率下降到80%。他们更换旋转相位阳极代替磁性搅拌器。这一作用将产生一种均匀的溶液，将电极溶解产生的絮凝材料有效地转移到反应器中。他们发现，随着反应堆的高旋转速度，水难以去除的小絮凝体理论上可能会被高速摧毁。

4.2 pH溶液的影响

pH被认为是可以直接影响EC过程性能的关键参数之一。在给定材料的最优pH溶液下，获得了最佳的污染物消除效率。EC方法下的絮凝机制在很大程度上受到pH的调控，可以通过调节溶液pH来提升污染物的去除效果[25]。铝和铁金属盐可以产生多价离子，如Al3+，Fe2+，Fe3+以及各种水解产物。Fe(II)是一种弱絮凝剂，在絮凝过程中通常被氧化为Fe(III)以达到更高的性能。此外，广泛使用的金属盐是碱性铝、硫酸铁和氯化物。金属阳离子以单核和多核氢氧化物的形式流入溶液，这取决于溶液的pH。Al(OH)3和Fe(OH)3是水溶性差的中性非定形金属羟氧化物[26]。

5 结 论

近年来，EC技术得到了极大的发展。EC是一种快速、易于使用的污染物去除技术，不需要添加化学成分或工艺控制。综述发现，与传统反应相比，以往的研究更侧重于消除无机污染物和开发EC反应。然而，最近的研究表明，现代反应堆中污染物的去除和能源的使用得到了增强。为了确定最可持续的方法，使用了Mg、Ti、Zn、Cu等替代材料作为EC方法的牺牲电极。然而，在成功实施之前仍需要进一步的研究，主要使用铁或铝阳极，EC获得了更高的去除效率，成本最低，可达沉降效果最佳和最低的污泥生产特性。由于其众多的好处，EC方法仍有待广泛的研究。虽然EC技术在去除各种水源中的污染物方面显示出了很高的潜力，但这项技术仍缺乏更大规模的实施。

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Emerging Application of Electroflocculation Technology to Remove Inorganic Pollutants in Water

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

The electric flocculation method has the advantages of high efficiency, wide range of removing pollutants, simple equipment operation and maintenance, and easy automation, and it has become an effective method to treat suspended particles, soluble inorganic pollutants and organic pollutants in wastewater.The performance of the EC method depends on several important parameters, including the current density, the pH value, the running time, the distance between the electrodes, and the stirring speed. In this paper, the integration of EC technologies with other advanced technologies to achieve higher removal efficiency was emphasized.The primary and secondary reactions of electroflocculation techniques were also discussed, and several important operating parameters, emerging design of EC techniques, operating conditions, and technical-economic analyses were presented.It was recommended to study the impact of other emerging parameters on EC technologies.

Electroflocculation method; Inorganic pollutants; Flocculant

2021-11-08

陈一鸣（1998-），男，满族，辽宁省沈阳市人，硕士研究生在读，研究方向：土木水利（市政工程方向）。

TQ085.2

A

1004-0935（2022）06-0809-04