强化电絮凝技术的基础现状和未来展望.doc

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1、强化电絮凝技术的基础现状和未来展望电絮凝技术发展至今已有130余年的历史，是一种兼具化学絮凝和电化学技术特点的环境友好型水处理工艺。1889年，英国学者P. P. STROKACH首次提出了将电化学法应用在水处理过程中的理论；1901年，英国学者H. EUGENE等提出了电絮凝（Electrocoagulation）净化废水的概念，并进行了处理工厂实际废水的应用研究；1903年和1905年，美国学者J. T. HARRIS和F. B. HINKSON分别在美国获得了电絮凝水净化技术专利；1911年，美国政府搭建了基于电絮凝技术的大型污水处理设施，并应用在俄克拉荷马州的圣莫尼卡和俄克拉荷马市，但

2、高耗电量导致设施在1930年底全部停止运行；1946年，电絮凝技术首次大规模应用于饮用水处理中，但再次由于技术不成熟和运行费用过高的原因未得到推广使用；20世纪50年代后，美国和前苏联进行了大量深入而广泛的电絮凝技术研究，处理了河水、市政污水、石化废水和含铬废水等；21世纪初，化学絮凝剂的快速发展和大规模使用，以及不发达的电力工业，导致电絮凝技术依旧发展缓慢；至今，伴随电化学理论的逐渐完善、科技水平的稳步提升和电力工业的快速发展，电絮凝技术的发展不再受到严重制约，再次成为水处理工艺的研究热点。相比于化学絮凝，电絮凝技术具备以下四方面的优点：（1）原位反应且无二次污染。电絮凝剂是由牺牲阳极在电流

3、通过时发生氧化电解，之后金属离子自发水解，原位生成金属氢氧化物。影响其性质的主要因素是电极材料的种类和水质特点（pH、阴阳离子和污染物种类等）。电絮凝过程不会有其他外源物质（如Cl-、SO42-和NO3-等）的引入，消除了阴离子的竞争，减少了水体可能受到的干扰，利于后续处理的进行。（2）有效成分含量高。对于铝系絮凝剂，一般认为Al13是聚合铝中最有效的絮凝成分。而在商用铝盐絮凝剂的水溶液中铝的主要形态为Ala（单体和初聚体），Al13质量分数一般在30%35%。相比之下，以铝为阳极的电絮凝过程，通过电解参数和搅拌强度等因素的调控，电絮凝剂可保持高含量的Al13，最高质量分数可达到70%80%。

4、（3）污泥量少。电絮凝技术产生的絮凝剂有效成分含量更高，处理相同体积废水消耗的铁或铝的质量一般为化学絮凝的1/3。因此，产生的污泥量也会明显减少，通常情况下污泥减少量在33%以上。（4）装置简单且操作简便。电絮凝装置运行的主要参数是电流和电压，整体工艺具有高度的可自动化控制水平，运行过程中的操作、维护和管理简单便捷，对工作人员的专业需求较低。相对来说，电絮凝技术也存在一些不可忽视的问题，这些缺点限制了该项技术的进一步发展，主要为以下4点：（1）电导率要求较高。在电化学技术中，保持电化学反应的进行即电流的流动，需要溶液必须具有较高的电导率。因此，溶液的电导率会直接影响整个工艺的污染物去除效率和运

5、行成本。为了保证低能耗，目前电絮凝领域的研究多集中在工业废水（电镀废水、印染废水、餐饮废水和造纸废水等），在水源水和生活污水上的研究相对较少。（2）阳极需要定期更换。由于阳极发生电化学溶解，长时间运行会大量消耗，若不定期更换。容易导致极板的破坏并进一步对水体造成污染。（3）金属离子的残留。电絮凝过程中溶出的金属离子存在自发的水解过程，除生成具有絮凝效果的电絮凝剂外，会有部分金属离子溶解在水中。如铁离子和铝离子的残留分别会导致水体的高色度和对人体的毒性积累，因此一般需要后处理工艺保证出水中的铁铝残留量达标。（4）阳极钝化。阳极钝化是目前限制电絮凝技术应用的主要因素。钝化膜的存在会导致阳极溶解速度

6、减缓、电流效率降低和额外增加运行电耗。目前对于阳极钝化现象的理论解释主要为薄膜理论和吸附理论。薄膜理论认为阳极表面生成的复合分子氧化膜会促使其电势发生突越，极化电流会消耗在电极副反应过程（氧的析出和高价反应产物生成等），导致了阳极溶解速率的明显下降。而吸附理论认为水中的氧、氧化物等粒子会吸附在阳极表面，改变金属-溶液的界面结构，造成阳极反应的活化能升高，从而出现钝化现象。两种理论的概念相近，区别在于阳极表面具体如何变化，目前为止还没有形成统一的权威理论。基于以上的问题，电絮凝技术的研究已经逐渐由“传统电絮凝”向“强化电絮凝”的方向发展，在保证污染物高效去除的同时，进一步缓解电极钝化并降低系统能

7、耗，提高电絮凝技术在工程应用中的实际价值。1 强化电絮凝理论基础絮凝工艺在水质污染控制中有着不可替代的地位，针对各类水体（工业废水、生活污水和水源水等）的处理处置，都是不可或缺的一环。从絮凝剂的生成过程来讲，絮凝主要可划分为化学絮凝和电絮凝，通常所讲的强化絮凝主要针对的是化学絮凝。强化絮凝（Enhanced Coagulation）一词最早出现在1965年美国AWWA会刊上的一篇论文中，直到20世纪90年代，美国水工协会对其进行了定义，将强化絮凝定义为水处理常规絮凝过程中，在保证浊度去除效果的前提下，通过提高絮凝剂的投加量来实现有机物去除率提升的工艺过程。同时，在强化絮凝的基础上，又提出了优化

8、絮凝（Optimized Coagulation）的概念，将其定义为具有多重目标的絮凝过程，包括最大化去除颗粒物和浊度、最大化去除TOC（Total Organic Carbon）和DBP（Disinfection byproducts）前驱物、减小残余絮凝剂的含量、减少污泥产量和最小化生产成本。王东升等认为实际的水处理过程中强化絮凝和优化絮凝的关系为“强化中的优化，优化中的强化”，二者密不可分，相互兼容。因此，强化絮凝和优化絮凝可统一认定为是在常规絮凝技术中的药剂、混合、凝聚和絮凝任一个环节或者多环节的强化和优化，进一步提高对水中污染物的净化效果。与化学絮凝领域相较而言，目前电絮凝领域的研究

9、中，并未有研究者对“强化电絮凝”进行明确的定义。因此，笔者在对强化/优化絮凝和电絮凝的常规认知基础上，对“强化电絮凝”进行了以下限定：将强化电絮凝（Enhanced Electrocoagulation）理解为是在传统电絮凝技术中的电凝聚、电气浮、电氧化和电还原任一个环节或几个环节进行强化或优化，包括但不仅限于电极技术、电源技术和集成技术，从而达到提高水质的目标。为了清晰地表明强化电絮凝的发展趋势，先使用文献计量学方法对Web of Science核心合集收录主题为“Electrocogulation”的论文进行了统计分析，限定出版年为“2000年2020年（12月18日）”，限定研究方向为“

10、Engineering Chemical”、“Engineering Sciences”、“Engineering Environmental”和“Water Resources”，对检索得到的论文建立数据库，电絮凝技术应用于环境领域的论文发表情况见图1。从2000年到2020年的21年时间内，在环境领域的电絮凝研究共发表论文1309篇，整体呈现上升的趋势，表明电絮凝技术的研究确实在逐渐升温，具有稳定长远发展的可行性。从这些论文的研究内容看，七成以上的研究可划分为传统电絮凝。传统电絮凝的研究可主要划分为三方面：（1）对操作参数上的优化进行研究讨论，包括电解电压、电流密度、电极间距、电解时间、搅

11、拌速率、pH、电解质和电极连接方式等；（2）对电絮凝可处理废水种类的扩展研究，包括工业废水（餐饮废水、染料废水、机械抛光废水、纺织废水、电镀废水、造纸废水、养殖废水和制药废水等）、生活污水、地表水和地下水等；（3）与化学絮凝、沉淀法、溶解法和其他电化学技术（电氧化、电渗析和电吸附等）的性能对比分析。传统电絮凝的研究范围极广，为电絮凝的快速发展提供了夯实的理论和数据基础。电絮凝领域的基础性研究已经逐渐趋于完善，目前这项技术的发展更需要的是对基础数据进行整合归纳形成体系，并在此基础上逐步进入下一阶段的探索发展，即由传统电絮凝迈向强化电絮凝。因此，笔者在“电絮凝”数据库的基础上，按照前文对强化电絮凝

12、的限定，分别以“净水机理”、“电极技术”、“电源技术”和“集成技术”为类别进行整理归纳，强化电絮凝论文发表情况见图2。整体来讲，尽管近5年的数据有一些波动，但对于强化电絮凝的研究趋势是在逐渐增长的，这表明研究者们的目光正在向电絮凝的新阶段转移。而从各大分类的论文数目来看，强化电絮凝的研究主要集中在集成技术上，即传统电絮凝与其他水处理工艺的组合研究，这部分研究属于电絮凝新阶段的一个基础研究，需要不断尝试各项工艺组合的可能性，是否存在优劣势互补，目前来说尚且需要长时间的摸索。电极技术和电源技术的研究成果数目相近，这方面的研究相对集成技术来说起步较晚，从2010年才开始进入到稳定的发展期。这些研究是

13、对电絮凝领域的横向扩展，能够增强电絮凝技术的功能性，如扩展电絮凝技术可应用的区域范围和电絮凝的污泥二次再利用性等。而针对强化电絮凝净水机理新观点的研究只有11篇，尽管数量较少，但每一篇都对电絮凝新阶段的发展尤为重要，具有指导性意义。综上所述，电絮凝技术由“传统电絮凝”向“强化电絮凝”的发展是必然的。传统电絮凝的研究应当更多集中在对已有理论和实践基础的整合，形成一套完整的具有指导意义的规范，从而促进对强化电絮凝理论研究的更深入探索，以及在电极技术、电源技术和集成技术上的研究、筛选和评价，以达到电絮凝技术广泛使用的目标。2 传统电絮凝净水机理电絮凝技术的机理复杂，涉及到的领域极广，整个过程涉及到了

14、材料学、絮凝学、环境化学、电化学和胶体界面化学等众多研究领域。但从本质上来讲，传统电絮凝的净水过程都是以电凝聚过程作为主体。尽管大量的研究论文中切实提到电气浮和电氧化还原在整个过程中也起到了不可替代的作用，但未进行深入探讨，将其仅作为整个反应体系中具有促进作用的副反应。因此，很多的研究工作都没有充分发挥出电絮凝技术本身具备的综合性，因此这也是强化电絮凝的机理研究发展方向。电絮凝技术中的电凝聚过程是通过外加电场的作用，电极发生电化学反应，金属阳极产生具有絮凝特性的阳离子（如Fe2+和Al3+等），并在水体中发生水解、聚合，形成一系列氢氧化物或多核羟基络合物，通过吸附、絮凝或沉淀作用去除水体中的污

15、染物的过程。从这个表述上看，电凝聚过程除了絮凝剂的来源与化学絮凝不同，机理上基本一致。经过对絮凝机理的长期研究，通常认为絮凝过程主要存在4种作用机理，示意图见图3：（1）压缩双电层。按照DLVO理论，较薄的双电层能够有效降低排斥能，当电位达到某一临界值时，胶体失稳产生疏松的絮体，而这种状态的絮体扩散能力更强。通常压缩双电层可以通过增加溶液中反离子浓度达到减小扩散层厚度的目的。在絮凝过程中，当金属离子进入水体后，水解产生的带正电荷离子会由于静电作用进入胶体的扩散层和吸附层，由于胶核表面的总电位保持不变，就会促使吸附层中正离子增多和扩散层中正离子减少，因此扩散层变薄，电位降低，便产生了絮凝沉淀的效

16、果。（2）吸附电中和。带有正电荷的絮凝剂水解形态会受到带有负电荷的颗粒的表面吸附作用，导致胶体的电中和脱稳。强烈吸附作用可能是静电作用、表面络合、范德华力、氢键、共价键和离子交换吸附等。（3）吸附架桥。牺牲阳极电解后产生的高分子聚合物能够与胶粒相互吸附，长链上的活性基团能够占据一个或多个胶体颗粒表面的吸附位，这种桥接作用使水体中的胶体颗粒或者其他悬浮物聚集在一起，形成更大的絮凝体。整个过程也需要依靠氢键、静电引力和范德华力的结合作用。（4）沉淀网捕。阳极电解产生的金属离子在水解后，当其剂量超过本身溶度积时，就会形成大量的金属氢氧化物絮体。这些带有正电的氢氧化物絮体最初通常会具有较大的比表面积，因此表现出了一定的黏附能力，故而能够网捕卷带水中的胶体颗粒并迅速形成沉淀得以去除。在传统电絮凝技术进行水处理的过程中，主要是依靠以上4种机理完成污染物的处理处置