微电解工艺.docx

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微电解工艺

微电解工艺

微电解工艺

微电解法是利用金属腐蚀的原理，形成原电池对废水进行处理的良好工艺，又称内电解法、铁屑过滤法等。

该法具有适用范围处理效果好、使用寿命长、成本低廉及操作维护方便等优点，并使用废铁屑为原料，也不需消耗电力资源，具有以废治废的意义，使得该工艺技术自诞生开始，即在美、苏、日等国家引起广泛重视，已有很多的专利，并取得了一些实用性的成果。

该工艺是在20世纪70年代应用到废水治理中的，而我国从20世纪80年代开始在这一领域的研究也已有不少文献报导。

特别是近几年来，进展较快，在印染废水，电镀废水，石油化工以及含砷含氰废水的治理方面相继有研究报导，有的已投入实际运行。

基本原理

微电解反应器内的填料主要有两种：

一种为单纯的铁刨花；另一种为铸铁屑与惰性碳颗粒（如石墨、活性炭、焦炭等）的混合填充体。

两种填料均具有微电解反应所需的基本元素：

Fe和C。

低电位的Fe与高电位的C在废水中产生电位差，具有一定导电性的废水充当电解质，形成无数的原电池，产生电极反应和由此所引起的一系列作用，改变废水中污染物的性质，从而达到废水处理的目的。

1　电极反应

阳极（Fe）：

Fe－2e→Fe2+E（Fe/Fe2+）＝0.44V

阴极（C）：

2H＋＋2e→H2E（H＋/H2）＝0.00V

当有氧存在时，阴极反应如下：

O2＋4H＋＋4e→2H2OE（O2）＝1.23V

O2＋2H2O＋4e→4OH－E（O2/OH－）＝0.41V

由上述反应的标准电极电位E0可知，酸性充氧条件下电极反应的E0最大，有O2存在的情况下电极反应进行的最快，该反应不断消耗废水中的H+，使得ph值上升。

因此，ph值低、酸度大时，氧的电极电位提高，微电池的电位差加大，促进了电极反应的进行。

从理论上解释了酸性废水微电解反应效果好的原因。

2　氧化还原反应

v铁的还原作用

铁是活泼金属，在酸性条件下可使一些重金属离子和有机物还原为还原态：

（1）将汞离子还原为单质汞

（2）将六价铬还原为三价铬

（3）将偶氮型染料的发色基还原

（4）将硝基还原为胺基

铁的还原作用使废水中重金属离子转变为单质或沉淀物而被除去，使一些大分子染料降解为小分子无色物质，具有脱色作用，同时提高了废水的可生化性。

v氢的氧化还原作用

电极反应中得到的新生态氢具有较大的活性。

能与废水中许多组分发生氧化还原作用，破坏发色、助色基团的结构，使偶氮键破裂、大分子分解为小分子、硝基化合物还原为胺基化合物，达到脱色的目的。

一般地[H]是在Fe2+的共同作用下将偶氮键打断、将硝基还原为胺基。

3　电化学附集

在铁与碳化铁或其他杂质之间形成一个小的原电池，将在其周围产生一个电场，许多废水中存在着稳定的胶体如印染废水，当这些胶粒处于电场下时将产生电泳作用而被附集。

在电场的作用下，胶体粒子的电泳速度可由下式求出：

4　物理吸附

在弱酸性溶液中，铁屑丰富的比表面积显出较高的表面活性，能吸附多种金属离子，能促进金属的去除，同时铁屑中的微碳颗粒对金属的吸附作用也是不容忽视的。

而且铸铁是一种多孔性的物质，其表面具有较强的活性，能吸附废水中的有机污染物，净化废水，特别是加入烟道灰等物质时，其很大的比表面积和微晶表面上含有大量不饱和键和含氧活性基团，在相当宽的ph值范围内对染料分子都有吸附作用。

5　铁的混凝沉淀

在酸性条件下，用铁屑处理废水时，会产生Fe2+和Fe3+。

Fe2+和Fe3+是很好的絮凝剂，把溶液ph调至碱性且有O2存在时，会形成Fe（OH）2和Fe（OH）3很好的絮凝剂，发生絮凝沉淀。

反

应试如下

生成的Fe（OH）3是胶体絮凝剂，他的吸附能力高于一般药剂水解得到的Fe（OH）3吸附能力。

这样，废水中原有的悬浮物，通过微电池反应产生的不溶物和构成色度的不溶性染料均可被其吸附凝聚。

6　铁离子的沉淀作用

在电池反应的产物中，Fe2+和Fe3+也将和一些无机物发生反应生成沉淀物而去除这些无机物，以减少其对后续生化工段的毒害性。

如S2—、CN—等将生成FeS、Fe3[Fe（CN）6]2、Fe4[Fe（CN）6]3等沉淀而被去除。

工艺影响因素及设计参数

影响微电解工艺处理废水效果的因素有很多，如ph值、停留时间、处理负荷、铁屑粒径、铁碳比、通气量等。

这些因素的变化都会影响工艺的效果，有些可能还会影响到反应机理。

1　pH值

通常pH值是一个比较关键的因素，它直接影响了铁屑对废水的处理效果，而且在pH值范围不同时，其反应的机理及产物的形式都大不相同。

一般低pH值时，因有大量的H+，而会使反应快速进行，但也不是pH值越低越好，因为pH值得降低会改变产物的存在形式，如破坏反应后生成的絮体，而产生有色的Fe2+使处理效果变差。

而pH值在中性或碱性条件下，当然这也根据实际废水性质而改变。

2　停留时间

停留时间也是工艺设计的一个主要因素，停留时间的长短决定了氧化还原等作用时间的长短。

停留时间越长，氧化还原等作用也进行得越彻底，但由于停留时间过长，会使铁的消耗量增加，从而使溶出的Fe2+大量增加，并氧化成为Fe3+，造成色度的增加及后续处理的种种问题。

所以停留时间并非是越长越好，而且对各种不同的废水，因其成分不同，其停留时间也不一样。

建议设计参数：

染料废水停留时间为30min；硝基苯废水停留时间为40—60min；制罐废水停留时间为7—10h；制药生产废水停留时间为4h；含油废水停留时间为30—40min。

停留时间还取决于进水的初始pH值，进水的初始pH值低时，则停留时间可以相对取得短一点；相反，进水的初始pH值高时，停留时间也应相对的长一点。

停留时间还反映了铁屑用量，停留时间长也就是说单位废水的铁屑用量大。

两个参数可以相互校核，共同控制。

3　Fe/C比

加入碳是为了组成宏观电池，当铁中碳量低时，增加碳屑，可使体系中的原电池的数量增多，提高对有机物等的去除效果。

但当碳屑过量时，反而抑制了原电池的电极反应，更多表现为吸附，所以Fe/C比也应有一个适当的值，且加入的碳的种类可以为活性炭或焦炭，碳种类对有机物等去除率影响不大，因此按经济因素考虑应选焦炭为最佳，具体设计参数为Fe/C（体积比）=1—1.5

4　铁屑粒度的影响

铁屑粒度越小，单位重量铁屑中所含的铁屑颗粒越多，使电极反应中絮凝过程增加，利于提高去除率。

另一方面铁屑粒度越小，颗粒的比表面积越大。

微电池数也增加，颗粒间的接触更加紧密，延长了过柱时间，也提高了去除率。

但粒度越小，使单位时间处理的水量太小，且易产生堵塞、结块等不利影响，故一般的粒度以60—80目为最佳。

5　通气量

对铁屑进行曝气利于氧化某些物质，如三价砷等，也增加了对铁屑的搅动，减少了结块的可能性，且进行摩擦后，利于去除铁屑表面沉积的钝化膜，且可以增加出水的絮凝效果，但曝气量过大也会影响水与铁屑的接触时间，使去除率降低。

在中性条件下，通过曝气，一方面提供更充足的氧气，促进阳极反应的进行，另一方面也起到搅拌、振荡的作用，减弱浓差极化，加速电极反应的进行，并且通过向体系加入催化剂改进阴极的电极性能，提高其电化学活性来促进电极反应的进行，已取得了显著地效果。

6　铁屑活化时间

由于铁屑表面存在有氧化膜钝层，因此在使用之前应对铁屑表面进行活化。

研究表明，用稀盐酸进行活化时，当进行20min时，反应的K值基本已经稳定，故活化时间可以以20min为宜。

7　温度

温度的升高可使还原反应加快，但是加快最大的是反映初期，且由于维持一定的温度需要保温等措施，一般的工业应用不予考虑，均在常温下进行反应。

8　铁粉品种

一般使用的铁屑有铸铁屑和钢铁屑两种。

铸铁屑含碳量高，处理效果好，但资料来源不易，絮体易破碎，强度低，易压碎结块；钢铁屑含碳量稍低而效果差，但材料易得。

在流动水体中，能与废水接触均匀，不易断流活结块，表面钝化物也易被带走，自然更新力强，且增大停留时间，效果也能接近铸铁屑。

马业英等人研究了磁性铸铁粉处理含铬废水，取得了极佳的净化效果。

磁性铸铁粉主要强化了铸铁粉表面的微电池的作用，同时也加速了铁粉表面和溶液中的氧化还原速度，也能加速絮凝体的沉降过程。

应用及发展

1　印染废水的处理

印染废水水量大、色度深、碱性强、水质变化大，难降解有机污染物含量高。

目前，印染废水普遍采用生化法、混凝沉淀法、混凝气浮法和活性炭吸附法进行处理。

这些方法投资费用高，管理难度大，脱色效果和去除率都不理想。

近几年来报道了许多电用化学法处理印染废水的研究成果和技术专利，并应用于各种规模的印染企业的废水治理工程，收到了良好的效果。

利用微电解法处理染料废水，CODcr去除率达67%左右，脱色率几近100%。

结果表明酸性废水有利于去除CODcr和脱色，选择pH值为4的酸性废水为宜；延长微电解反应时间有利于提高处理效果，但会增加投资和运行费用，反应时间控制在50min为宜；石灰乳的用量过多或过少均会影响CODcr的去除，调pH值为9时比较合适；微点解反应器选择铁屑与焦炭的质量比为1:

1效果最佳。

铁炭微电解法处理实际生产染料废水，实验结果表明，微电解法对污染废水有明显的去除效果，进水pH为1左右、接触时间为0.5h时，COD的去除率在60%左右，色度去除率大于94%；微电解法主要是通过氧化还原作用和铁的絮凝作用去除COD和色度。

2　含砷废水的处理

砷化物是一种高毒性物质，对环境污染严重。

含砷废水目前常采用离子交换法、沉淀法和浮选法治理。

陆萸英等对含砷废水处理进行了系统的概述。

在上述方法中，沉淀法加入沉淀剂的量较难控制，过少除不尽砷，过多会造成二次污染。

浮选法则因泥沙中含水量大，也易造成二次污染。

NazaroraGN等报道了消耗Fe电极的电凝结方法处理含砷废水，但此法耗电量很大。

彭根怀等人对铁屑微电池反应处理含砷废水进行了研究，结果表明通过腐蚀电池电极反应产生的Fe2+，在碱性条件下絮凝工沉淀去除砷，去除率可达93%以上。

3　印刷电路板生产工业废水的处理

随着电子工业的发展，印刷电路板的需求量增大，生产厂家及生产产量的增加，使废水量也不断增加。

这种废水主要污染物为氨水、EDTA等多种络合剂及Cu2+、Ni2等多种金属离子。

国内一般采用分质处理法处理，将废水分为含络合剂废水和无络合剂废水，前者用加碱或硫酸调pH值再加沉淀剂经沉淀过滤处理后排放，后者可直接加碱或硫化物做沉淀剂，沉淀过滤，达到净化的目的。

在国外，最近有采用TMA（三硫三秦三钠盐）作沉淀剂，可避免硫化物二次污染。

美国一些公司采用离子交换与隔膜电解相结合处理含络合剂重金属离子废水，这些方法去除率不高，一般较难使排放水达标。

穆传奇研究报道了铁屑法处理印刷电路板废水，在酸性条件下，利用铁屑和电极反应产生的Fe2+还原重金属离子，并通过Fe（OH）3絮凝共沉的原理去除去重金属离子，使废水达标排放，效果良好。

处理后，出水中铜和镍离子含量均小于0.2mg/L。

这项技术已推广应用。

4　化工废水的处理

化工废水的基本特征为极高的COD、高盐度、对微生物有毒性，是典型的难降解废水，是目前水处理技术方面的研究重点和热点。

化工废水的特征分析如下：

（1）水质成分复杂，副产物多，反应原料常为溶剂类物质或环状结构的化合物，增加了废水的处理难度；

（2）废水中污染物含量高，这是由于原料反应不完全或生产中使用的大量溶剂介质进入了废水体系所引起的；

（3）有毒有害物质多，精细化工废水中有许多有机污染物对微生物是有毒有害的，如卤素化合物、硝基化合物、具有杀菌作用的分散剂或表面活性剂等；

（4）生物难降解物质多，B比C低，可生化性差；

（5）废水色度高。

化工废水处理技术已经经过了100多年的发展，污水中的污染物种类、污水量是随着社会经济发展、生活水平的提高而不断增加，污水处理技术也随着科学技术的发展而发生了日新月异的变化，同时，旧的污水处理技术也不断被革新和发展着。