电化学在环境工程领域中的应用

电化学在环境工程领域中的应用2006年07月20日出处：化学与粘合浏览1648次前言随着全球环境状况的日益严峻,环境保护及污染物处理问题引起了各国政府的高度重视。电化学技术由于其自身的优点和特性,在治理环境污染方面发挥着重要作用。电化学在环境保护中所体现出来的优越性有以下几点:(1)环境兼容性高在电化学过程中把高效、清洁的电子作为强氧化还原试剂使用,这是一种基本上对环境无污染的绿色技术。例如,电化学燃烧发生在溶液中,不会产生CO2引起温室效应。再者,由于界面电场中存在着极高的电位梯度,电极相当于异相反应的催化剂,因而减少了因加入催化剂而有可能带来的环境污染。同时,电化学过程具有较高的选择性,可以抑制副反应发生,减少污染物。(2)能量利用率高由于电化学过程不受卡诺循环的限制,可以提高能源的利用率。同时,可以通过控制电极电位、合理设计电极与电解池,减少能量损失。而且,与其他一些过程相比,电化学过程可在较低温度下进行。(3)可控制性电化学过程中的两大参数电流与电压信号,易测定和自动控制。(4)多功能性电化学过程具有直接或间接氧化与还原、相分离、浓缩与稀释、生物杀伤等功能。(5)经济性电化学技术所需的设备简单,操作费用较低。本文介绍了电化学处理环境污染物的几种基本方法,对电化学方法在环境污染物的治理,清洁生产,有机电合成以及环境监测等方面的应用做了具体阐述。1电化学技术对环境污染物的处理1.1电化学技术处理环境污染物的基本方法(1)电渗析依靠在电场作用下选择性透过膜的独特功能,使离子从一种溶液进入另一种溶液中,达到对离子化污染物的分离和浓缩。利用电渗析处理金属离子时并不能直接回收到固体金属,但能得到浓缩的盐溶液,并使出水水质得到明显改善。目前研究最多的是单阳膜电渗析法。(2)电化学氧化电化学氧化分为直接氧化和间接氧化两种,属于阳极过程。直接氧化是通过阳极氧化使污染物直接转化为无害物质;间接氧化则是通过阳极反应产生具有强氧化作用的中间物质或发生阳极反应之外的中间反应,使被处理污染物氧化,最终转化为无害物质。对于阳极直接氧化而言,如反应物浓度过低会导致电化学表面反应受传质步骤限制;对于间接氧化,则不存在这种限制。在直接或间接氧化过程中,一般都伴有析出H2或O2的副反应,但通过电极材料的选择和电势控制可使副反应得到抑制。(3)电化学还原通过阴极还原反应去除环境污染物。同电化学氧化一样,分为阴极直接还原和间接还原。主要用于氯代烃的脱氯和重金属的回收。(4)电吸附利用电极作为吸附表面,像传统吸附过程一样进行化学物质的回收。它可以用来分离水中低浓度的有机物和其他物质。为了维持较高的吸附特性,一般采用大比表面积的吸附电极。(5)电凝聚电凝聚也叫电浮选,即依靠电场的作用,通过电解装置的电极反应,产生直径很小的气泡,用以吸附系统中直径很小的颗粒物质,使之分离;或者在电浮选过程中,选用铝质或铁质的可溶性阳极,利用电解来氧化铁屑、铁板、铝板等生成Fe2+、Fe3+或Al3+,再凝聚成Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3等沉淀物,以实现污染物的分离。在电凝聚方面的最新技术是采用活性碳纤维铁复合电极对印染与染料废水进行处理的电凝聚技术。(6)光电化学氧化亦称为电助光催化。通过半导体材料吸收可见光和紫外光的能量,产生“电子-空穴”对,并储存多余的能量,使得半导体粒子能够克服热动力学反应的屏障,作为催化剂使用,进行一些催化反应。(7)电沉积利用电解液中不同金属组分的电势差,使自由态或结合态的溶解性金属在阴极析出。适宜的电势是电沉积发生的关键。无论金属处于何种状态,均可根据溶液中离子活度的大小,由能斯特方程确定电势的高低,同时溶液组成、温度、超电势和电极材料等也会影响电沉积过程。(8)电化学膜分离利用膜两侧的电势差进行的分离过程。常用于气态污染物的分离。1.2电化学技术在处理环境污染物中的应用1.2.1电化学技术在废水处理中的应用(1)含无机污染物废水的处理在电镀、冶金及印刷工业中常产生大量的含重金属离子的废水,如有毒重金属离子、氰化物、硫氰酸盐、硫酸盐、硫化物、氨等,一般采用沉淀法进行处理。但对于碱性溶液中的络合金属离子,此法并不十分有效。应用电化学处理技术可以将废水中的金属离子质量浓度控制在满意的水平。电化学方法处理金属离子稀废液的效率取决于被移除粒子的传质速率、电极的有效面积和副反应的发生,而电极的结构和材料是影响传质速率和电极的有效面积的主要因素。因此,目前电化学方法处理含金属废液工艺的技术核心及研究方向是具有新型电极结构和材料是电解槽的设计开发。目前,一般电解槽的形式分为二维电极电解槽和三维电极电解槽两种。二维电极应用最多的是旋转圆筒电极和平面板电极。旋转圆筒电极电解槽具有均匀的电势和电流密度,溶液在槽内湍流流动,阴阳两电极距离间隔小,槽的占地空间小,电阻损耗小,能够实现不间断生产。主要应用于Fe、Cu、Ag、Cr、Ni等金属离子的去除或回收。平面板电极电解槽结构简单,电势和电流密度分布均匀,可以从阴极上取出电沉积的金属污染物,清除沉积物后的电极可重复使用。三维电极电解槽的电极具有较大的表面积,传质速率高,可在低电势条件下生产,常见的有填充床电极和流化床电极。有文献报道,应用三维电极处理印染废水其脱色率可达99%,CODcr去除率大于80%,此外还可用于处理含酚、含油、含菌的废水。在工业应用实践中,二维电极的效果要优于三维电极,尤其是用旋转圆筒电极处理金属离子稀废液的效果最佳。(2)含有机污染物废水的处理电化学方法可以将有机污染物完全降解为CO2和H2O,此过程被称为“电化学燃烧”。例如对酚类、含氮有机染料、氰化物等的处理,有机污染物也可以不完全降解,即发生间接电化学反应,利用电极反应产生强氧化作用的中间物质,将有机污染物(不可降解物质)氧化转变为可降解物,然后再进行生物处理,最终将其彻底降解。广泛用于污水中银和铜回收的是一种旋转电极结构。它是一个两维电极反应器,在循环批处理条件下,一个阴极直径为01258m、长度为01254m、旋转速度为750r/min、外加电流为500A的反应器能将铜离子质量浓度从500mg/L降到4mg/L,处理液一次通过的电耗为813kw•h/kg,出水浓度控制在100～175mg/L水平。电化学方法处理有机污染废液的过程与电极材料、电极表面结构及负载情况、电解质溶液组成以及浓度等因素相关。其中电极材料是最重要的因素,不同的电极材料具有不同的特殊催化特性,可以产生不同的反应或不同的氧化中间物质,因此电极材料的开发是电化学方法处理有机污染废液技术的关键。表1表述了一些电化学方法在处理有机污染液方面的应用。1.2.2电化学技术在废气处理中的应用化工厂、热电厂等在生产中会排放出许多含有毒、有害物质(如Cl2、H2S、SO2、NOx、CO2等)的气体。采用电化学方法可处理净化上述废气。电化学方法去除气态污染物包含两个步骤:首先,气态污染物通过电解液被吸附或吸收,然后污染物直接在电极上发生电化学转换,或间接利用均相、异相氧化还原媒介对污染物进行转换,使其转化为无害物质。如硫-氢-溴循环去除二氧化硫工艺中,用石墨作电极材料,使用不分区的溴化氢电解槽(见图1),用Br2作媒介氧化SO2,反应如下:SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr2HBrBr2+H2电化学方法处理净化废气的工艺可分为槽内工艺和槽外工艺。槽内工艺是气体直接经吸附转移到电化学反应器内并被处理;槽外工艺是气体先被吸附到独立的容器中,再转移至电化学反应器中进行处理,见图2。1.2.3电化学技术在土壤修复中的应用利用电化学方法可以清除土壤或泥浆中的放射性物质、重金属、某些有机化合物或无机化合物。其做法是将电极插入土壤,加上直流电,以地下水或外加电解质作电解液。主要反应是阳极放氧和阴极放氢,离子则通过电迁移、对流和扩散在土壤中运动。若是重金属离子,则在阴极沉积而除去,若是有机污染物则在多孔土壤中作电渗流动,然后通过外抽提系统(如离子交换或化学沉淀)加以去除。电化学方法清除污染物的过程包括电迁移、电渗和电泳3种机制。2电化学技术在其他方面的应用2.1电化学技术在环境监测中的应用由于电化学分析法比较简便、经济、分析灵敏度高,自20世纪60年代以来,电化学技术在环境监测领域的发展十分迅速,迄今已在许多工业部门的环境监测中获得广泛应用。电化学技术可作为传感器、监控器、控制器,用于H+、O2、CO2、SO2、NO2、NH3、乙醇、麻醉剂、神经性气体、金属离子等的分析和控制。2.2电化学技术在清洁生产方面的应用(1)化学电源等———清洁产品化学电源是按电化学方式直接将化学能转化为电能的一种装置。人类转化能量的传统方式是热机过程,然而热机过程受卡诺循环的限制,不但能量转化效率低造成能源浪费,而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声,造成大气、水质、土壤等污染,是环境保护所要解决的重要问题。化学电源按活性物质的保存方式可分为3种主要类型:一次电池、二次电池(蓄电池)和燃料电池。由于一次电池不易回收,不利于环保和节约地球有限资源,近年来人们将研究的重点转向二次电池和燃料电池的研究。燃料电池具有高效、环境友好、安全、可靠性高的优点。燃料电池按电解质可分为5类:碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、硫酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)。20世纪汽车工业的发展,使得全球的车辆数目激增至约6亿辆,因此,研制新型车载电源,提供无污染低噪音的动力,构建零排放绿色汽车,消除因使用汽油而造成的空气污染成为环保领域研发的前沿。(2)有机电合成有机电合成法就是借助电极传递电子,使有机物氧化或还原,而不采用化学品直接氧化或还原有机物。它是电化学、有机化学和化学反应工程的交叉学科。有机电合成具有反应条件温和(可在常温常压下进行)、工艺流程简单、易于实现自动控制、产物选择性高、副产物少、污染少甚至无污染等优点,是绿色合成的必要途径之一,被称为绿色工业。(3)水的电化学消毒电化学方法制备消毒剂技术节能、廉价、无残留、安全,可弥补氯消毒技术的不足。例如:目前,广泛用Cl2对水进行消毒。但近来发现和鉴定出加氯的水中有上千个有机物,其中十个有致癌性,如六氯苯、多氯联苯、三氯甲烷、1,2-氯乙烯、四氯化碳等。显然采用H2O2消毒较好,而H2O2一般条件下可采用电解硫酸铵的方式或氧阴极直接还原法生产。电化学水消毒技术可采用石墨或石墨纤维电极、金属钛电极、多孔碳、SnO2电极。人们还可以采用基于电吸附和阳极直接氧化细胞内辅酶A的电化学消毒方法进行消毒。也有报道采用吸附微生物和直接在阳极氧化细胞内辅酶A的消毒方法。3电化学处理技术存在的问题及其解决方法3.1存在问题:电化学技术作为一种“清洁技术”,尽管在国内外都有了很大的发展,而且其中不少已达到工业化水平,但是还在不断发展中,特别是在电极的结构材料、电极的选择性、电极的活化[22]等方面有待于进一步提高,而且能源消耗量大,电极材料消耗过多,当反应物浓度不高时,处理时间延长,电流效率降低。3.2解决方法首先,在处理污染物时,应该考虑将电化学技术与其他传统的化学、物理方法相结合使用。以电沉积为例,当系统中含有的物质种类很复杂时,用一些常用的物理、化学方法:萃取、活性碳吸附、化学氧化(除去一些无机离子)、气提(除去系统中的部分溶解性气体)预先处理废液,可以使金属的处理与回收率达到最佳。其次,应当通过改变现有反应器的结构,提高被处理流体的流速来增加流体的扩散速度,采用多阴极或膨胀阴极来提高电极比表面积,增加电极的有效反应面积,提高电流效率。4结束语随着电化学技术的不断完善和发展,在净化环境的工作中正日益显示出独特的优越性,逐渐成为解决环境问题的有利工具,在环境保护领域中将发挥着愈来愈重要的作用。