三维电极电化学水处理术研究现状及方向

三维电极电化学水处理技术研究现状及方向中山大学化学系(广东广州,510275)熊英健范娟朱锡海摘要综合近十几年国内外有关三维电极电化学水处理技术研究文献,概述了三维电极的特点、分类、理论与应用研究状况,并提出了三维电极目前研究存在的问题及今后的方向。关键词三维电极电化学法废水处理电化学法处理废水一般无需很多化学药品,后处理简单,占地面积小,管理方便,污泥量很少。被称为清洁处理法。本世纪60年代中期,随着传质理论、材料科学和装置改进方面的发展,电化学工程成为一门独立的科学〔1〕。随着电力工业的发展已逐步成为一种应用日渐广泛的水处理技术。以往很长一段时间由于各种原因的限制,在废水处理领域主要应用于重金属离子的去除和回收〔2～4〕。近年来随着有机电化学理论的深入研究,证实不少有机化合物的氧化还原、加成和分解反应都可以在电极上进行〔5〕,使电化学法在处理有机废水方面的研究有可能向前迈进一大步。1三维电极的特点及分类传统的平板二维电极面体比(arear-volumeratio)较小,单位槽体处理量小,电流效率低,尤其是在电导率低时,因而在实践中难以有突破性进展。针对传统二维电极这一缺陷,在60年代末期提出了三维电极�三元电极(three-dimension-elec2trode)的概念〔6〕。三维电极是一种新型的电化学反应器,又叫粒子电极(particleelectrode)或床电极(bedelectrode)。它是在传统二维电解槽电极间装填粒状或其他碎屑状工作电极材料并使装填工作电极材料表面带电,成为新的一极(第三极),在工作电极材料表面能发生电化学反应。应该说三维电极与传统的二维电极并不是绝然分开的,有一些装置,例如以不锈钢丝串联电极〔7〕,其他膨胀金属电极就处于两者之间。但是与二维电极相比,三维电极的面体比极大增加,且因粒子间距小,物质传质效果极大改善,因而它具有较高电流效率、单位时空产率〔8,9〕;当废水电导率较低时,二维电极处理效果不好,需要投加大量电解质,使处理费用提高,而三维电极在一定程度上克服了这一缺点。三维电极的分类方法很多〔10〕,按粒子极性可分为单极性和复极性;单极性床填充阻抗较小的粒子材料,当主电极与导电粒子接触时,粒子带电两电极间通常有隔膜存在。复极性床一般填充高阻抗粒子材料,无需隔膜,粒子间及粒子与主电极间不会导电,因而不会短路。此时通过在主电极上施加高压,以静电感应使粒子一端成为阴极,若使用阻抗小的粒子,如金属、活性炭等,应在外涂上绝缘层或添加绝缘体。按电极构型可分为矩形和圆柱形;按电流与液流方向关系可分为平行型与垂直型;按粒子材料填充方式可分为固定方式与流动方式。按粒子材料填充分类法与实际工程设计关系十分密切,因而也是最常用的一种分类方法。固定方式的粒子材料在床体中不会发生位移,处于相对稳定状态,以填充床(packed-bed-electrode)为典型代表;流动方式的粒子材料在床体中发生相对位移,处于流动状态,以流化床(fluid-bed-electrode)为典型代表。文中以下就采用这种分类方法予以阐述。2流化床结构及改进三维电极最初的研究是从多孔电极开始,流化床(FBE)的设计在1969年由BACKHURST和GOODRIDGE〔11〕提出,其基本构型如图1所示。床体分为两部分:阳极区和阴极区,中间以隔膜2分开,阴极区填充粒子电极材料7,阴极液(重金属废水)从阴极区底部入口10进入,使粒子材料处于流动状态,最后从阴极区上部出口5流出。阳极液从阳极区底部入口9进入,从上部出口4流出。在工作一段时间后粒子材料会因吸附而变大同时沉落在阴极区底部由出口8排出,在体外清洗,而小粒子则由上部入口6进入阴极区形成粒子电极的循环。这种设计的面体比达到200m2�m3,因此在保证有效电流密度为0101A�cm2时就可允许很大电流通过。流化床的出现开创了电解槽设计的新时期,它的优点在于良好的传质和高面体比保证较高的电流效率、时空产率,电极粒子的循环清洗以及流动时的相互冲击防止电解堵塞使电流效率降低。但是流化床的致命缺点在于粒子电极接触不紧密,使粒子馈电电流及电势分布不均,馈电极及隔膜容易沉积污—5—工业水处理1998,18(1)三维电极电化学水处理技术研究现状及方向©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net图1流化床基本结构11阳极21隔膜31阴极41阳极液出口51阴极液出口61小粒子入口71填料81大粒子出口91阴极液入口101阳极液入口染物,降低了电流效率〔12,13〕。因而这个设计在15年之后才真正商业化。这当中VANDERHAIDENG等做了重大的改进〔14〕,他们设计