环保工艺之——复极性粒子群电极电解法

复极性粒子群电极电解法是在电解反应器中填充活性炭颗粒和绝缘颗粒,外加直流电场使其中导电粒子复极化而形成无数微小的电解槽,水体污染物在通过电解反应器时被吸附到粒子表面发生电化学反应而去除。该法综合了吸附和电解等方法的优点,可以通过调节电压等手段灵活地去除各种污染物。

一、基本原理

电化学反应是一种在电极表面上进行的非均相反应,反应物必须到达界面才能参与反应,因此增大电极面积以促进反应物的迁移是提高反应速度的有效方法。复极性固定床电解槽是由在常规电解槽的阴、阳极间填充均匀混合的导电颗粒(活性炭颗粒)和绝缘颗粒构成。当主电极间所施加的电压足够高,使导电颗粒沿电场方向两端的电位降超过阴极和阳极反应的可逆电势时,导电颗粒就成为一个复极性电极,一端发生阴极反应,另一端发生阳极反应。电极反应的驱动力是床内各点导电颗粒的电位与电解液的电位之差。在高梯度电场作用下,电解槽中存在无数这种复极性电极,故其比电极面积是传统二维电解槽的几十倍甚至上百倍,并且每个复极性单元的阳极与阴极间距离小,反应物迁移速度快,因此适于处理反应物浓度低的电解液,使电解反应速度加快,电解效率提高。粒子群电极反应器的工作机理,既与单纯活性炭吸附法不尽相同,又有别于传统的电解法。虽然反应器中的活性炭由于其巨大的比表面积,对可染性分子有不同程度的吸附富集作用,这一点与单纯活性炭吸附有相同之处；但它又是良导体,当活性炭粒与主电极直接或间接电联接时,它就成为主电极的外延部分,成为单极性粒子群电极,从而有效地增大了电极的表面积；当在活性炭颗粒中加入绝缘性粒子使炭粒互相隔离,不与主电极直接或间接电联接时,它就会被静电感应而使炭粒两侧出现正负两极,成为复极性粒子群电极。这样每个复极性粒子本身就成了一个微型电解槽,它有效地缩短了两极之间的距离,减少了反应物的迁移路程,增大了两极间的电位梯度,加快了溶液中带电粒子的迁移速度,从而有利于在浓度较低和电导较小的溶液中发生较高速的电解作用。同时活性炭的结构形貌也不完全相同,由于它表面凹凸不平,在其棱角等尖端部位的电荷密度较大,可以产生局部性高电位,形成很多活性点,因而有时在较低的外电压下也能发生反应。

2、实验装置

目前常用复极性固定床反应器(如图)作为复极性粒子群电极电解法的反应器。其一般为同心圆柱形,分成进水段、填料段、反冲洗段和出水段,有效体积2L。在进水段、填料段、反冲洗段和出水段之间装有电极板,以石墨棒和钢筒作为外加电极,在石墨棒阳极和钢筒阴极之间填充一定粒度配比的导电颗粒和绝缘颗粒作填充材料。常用的填充材料主要有金属导体、铁氧体、镀上金属的玻璃球或塑料球、石墨以及活性炭等,活性炭效果最佳。实际应用中,仅填充这些物质中的某一种粒子难以满足工作的理想条件,效果受到限制,常采用在其中添加绝缘物的方法,如填充石英、玻璃珠、有机玻璃片等。改善粒子的接触状态是提高复极性固定床电解槽电解效率的关键。采用涂膜活性炭的方法,在涂膜活性炭与活性炭比例在30∶100 时,电解效率可比一般的活性炭法提高1.88倍。涂膜活性炭能在填充床中一直保持稳定、均匀的分布,有效地发挥作用。

3、优点及存在的问题

优点:①复极性粒子群电极电解法集中了活性炭吸附和电解的优点,具有设备简单、占地面积小、操作简便和易于管理的优点。②其中作为填充材料的活性炭具有使用寿命长、再生容易的优点。

存在的问题:①该反应器的导电颗粒和绝缘颗粒的密度、粒径往往不统一,运行中容易产生电极材料和绝缘材料分层的现象,从而导致绝缘物失效,使复极性粒子群电极失效。使用醋酸纤维素涂膜活性炭和活性炭配比在反应器中应用时,醋酸纤维素在水中有轻微水解,涂膜粒子使用寿命变短,需定期添加涂膜粒子。②该反应器目前只在实验室中应用,电解槽电压较高,整流器电能消耗较高,限制了其在工业上的扩大化使用。③该法对废水的处理,主要集中在对染料废水的处理,没有涉及其它一些生物难降解的废水的处理。

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