In den letzten Jahren wurde die elektrochemische Wasseraufbereitungstechnologie aufgrund ihrer hohen Abbaurate, einfachen Handhabung und Schadstofffreiheit mit der kontinuierlichen Entwicklung und Verbesserung der Wasseraufbereitungstechnologie immer mehr geschätzt und angewendet. Da es viele Unterteilungen der elektrochemischen Wasseraufbereitungstechnologie gibt, werden hier nur elektrochemische Oxidation und Mikroelektrolyse erörtert und ausgetauscht.
1. Prinzip der Wasseraufbereitung durch elektrokatalytische Oxidation
Elektrochemische Oxidation:
Im weitesten Sinne bezieht sich elektrochemische Oxidation eigentlich auf den gesamten Prozess der Elektrochemie. Es basiert auf dem Prinzip der Redoxreaktion, und an den Elektroden des elektrokatalytischen Oxidationselektrolyseurs finden direkte oder indirekte elektrochemische Reaktionen statt, wodurch Schadstoffe aus dem Abwasser reduziert oder entfernt werden.
Im engeren Sinne bezieht sich elektrochemische Oxidation speziell auf den Anodenprozess, bei dem eine Lösung oder Suspension organischer Stoffe in die Elektrolysezelle gegeben wird und Gleichstrom verwendet wird, um Elektronen an der Anode einzufangen, um die organischen Stoffe zu oxidieren oder zunächst niederwertige Metalle zu hochwertigen Metallionen zu oxidieren, und dann die hochwertigen Metallionen die organischen Stoffe oxidieren. Im Allgemeinen sind einige funktionelle Gruppen organischer Stoffe elektrochemisch aktiv. Durch die erzwungene Einwirkung des elektrischen Felds ändert sich die Struktur der funktionellen Gruppen, wodurch die chemischen Eigenschaften der organischen Stoffe verändert, ihre Toxizität verringert oder sogar eliminiert und ihre biologische Abbaubarkeit verbessert wird. Die elektrochemische Oxidation wird in direkte und indirekte Oxidation unterteilt.
Unter direkter Oxidation (direkter Elektrolyse) versteht man die Entfernung von Schadstoffen aus Abwasser durch direkte Oxidation an der elektrokatalytischen Elektrode. Man kann diesen Prozess in einen anodischen und einen kathodischen Prozess unterteilen. Beim anodischen Prozess werden Schadstoffe an der Anodenoberfläche oxidiert und in weniger giftige oder biologisch leicht abbaubare Stoffe umgewandelt, wodurch die Reduzierung und Entfernung von Schadstoffen erreicht wird. Beim kathodischen Prozess werden Schadstoffe an der Kathodenoberfläche reduziert und entfernt. Dies dient hauptsächlich der Reduzierung und Dehalogenierung von halogenierten Kohlenwasserstoffen und der Rückgewinnung von Schwermetallen. Bei diesem kathodischen Prozess, auch elektrochemische Reduktion genannt, werden Edelstahlkathoden oder Pt-beschichtete Elektroden auf Ti-Basis zur Abgabe von Elektronen verwendet, was der Reduzierung und Abscheidung von Schwermetallionen wie Cr6+ und Hg2+ durch Reduktionsmittel entspricht. Ionen mit hohem Oxidationszustand werden zu niedrigen Oxidationszuständen reduziert (sechswertiges Chrom wird zu dreiwertigem Chrom); chlorhaltige organische Stoffe werden reduziert und entchlort, in wenig oder nicht toxische Substanzen umgewandelt und die biologische Abbaubarkeit wird verbessert: R-Cl +H++e →RH + Cl-
Unter indirekter Oxidation (indirekte Elektrolyse) versteht man die Verwendung elektrochemisch erzeugter Redoxsubstanzen als Reaktanten oder Katalysatoren, um Schadstoffe in weniger giftige Substanzen umzuwandeln. Die indirekte Elektrolyse wird in reversible und irreversible Prozesse unterteilt. Reversible Prozesse (vermittelte elektrochemische Oxidation) bedeuten, dass das Redoxpotential während des Elektrolyseprozesses elektrochemisch regeneriert und recycelt werden kann. Irreversible Prozesse sind Prozesse der Oxidation organischer Stoffe unter Verwendung von Substanzen, die durch irreversible elektrochemische Reaktionen erzeugt werden, wie etwa Cl2, Chlorat, Hypochlorit, H2O2 und O3 mit stark oxidierenden Eigenschaften. Elektrochemische Reaktionen können auch verwendet werden, um stark oxidierende Zwischenprodukte zu erzeugen, darunter solvatisierte Elektronen, ·HO, ·HO2 (Superoxidradikale), ·O2- (Superoxidanionenradikale) und andere freie Radikale, die Cyanid, Phenol, COD, S2- und andere Schadstoffe im Wasser abbauen und beseitigen und sie schließlich in unschädliche Substanzen umwandeln. Bei der direkten Oxidation an der Anode wird die elektrochemische Oberflächenreaktion durch den Massentransferschritt begrenzt, wenn die Konzentration der Reaktanten zu niedrig ist; bei der indirekten Oxidation gibt es keine solche Begrenzung. Bei direkten oder indirekten Oxidationsprozessen kommt es im Allgemeinen zu Nebenreaktionen in Form von H2- oder O2-Niederschlag, aber die Nebenreaktionen können durch die Auswahl der Elektrodenmaterialien und die Potentialkontrolle unterdrückt werden.
Die elektrochemische Oxidation hat gute Ergebnisse bei Abwässern mit hoher organischer Konzentration, komplexen Bestandteilen, vielen schwer abbaubaren Substanzen und hoher Farbsättigung erzielt, wie z. B. bei Abwässern von Offshore-Ölfeldern, Druck- und Färbeabwässern, hochkonzentriertem Sickerwasser und Abwässern, die reich an Ammoniakstickstoff und Cyanid sind. Die elektrochemische Oxidationstechnologie kann mithilfe elektrochemisch aktiver Anodenmaterialien effektiv Hydroxylradikale mit starker Oxidationsfähigkeit bilden, die nicht nur persistente organische Schadstoffe zersetzen und in ungiftige, biologisch abbaubare Substanzen umwandeln, sondern sie auch vollständig in Substanzen wie Kohlendioxid oder Karbonate mineralisieren können.
Es kann angewendet werden bei: schwer abbaubaren Industrieabwässern mit hoher Konzentration an organischen Schadstoffen, hohem Salzgehalt, einfarbiger Beschaffenheit, schlechter biologischer Abbaubarkeit oder Abwasserarten, die mit herkömmlicher Wasseraufbereitungstechnologie nur schwer abbaubar sind.
2. Mikroelektrolyse-Wasseraufbereitungstechnologie
In den 1970er Jahren verwendeten Wissenschaftler in der ehemaligen Sowjetunion Eisenspäne zur Behandlung von Druck- und Färbeabwässern, und seitdem wird die Mikroelektrolyse zur Abwasserbehandlung eingesetzt. In meinem Land wurde in den 1980er Jahren mit der Forschung auf diesem Gebiet begonnen. Mit der Vertiefung der Forschung gewinnt die Mikroelektrolysetechnologie in der Behandlungstechnologie schwer abbaubarer Industrieabwässer an Bedeutung und wird in der Ingenieurpraxis angewendet.
Auch das Prinzip der Mikroelektrolyse ist relativ einfach. Es handelt sich um einen Prozess, der das Prinzip der Metallkorrosion nutzt, um eine Primärbatterie zur Abwasserbehandlung zu bilden. Diese Methode verwendet Alteisen als Rohstoff, verbraucht keine Stromressourcen und hat die Bedeutung von „Abfall mit Abfall behandeln“. Insbesondere verwendet die interne Elektrolysesäule der Mikroelektrolysemethode häufig Alteisen und Aktivkohle als Füllstoffe und erzeugt durch chemische Reaktionen Fe2+-Ionen mit starken Reduktionseigenschaften, die bestimmte oxidierende Bestandteile im Abwasser reduzieren können; außerdem kann Fe(OH)2-Flockung zur Wasseraufbereitung verwendet werden; Aktivkohle hat eine Adsorptionswirkung und kann organische Stoffe und Mikroorganismen adsorbieren; daher besteht die Mikroelektrolysemethode darin, einen schwachen Strom durch eine Primärbatterie aus Eisen-Kohlenstoff zu erzeugen, der das Wachstum und den Stoffwechsel von Mikroorganismen stimuliert. Der Vorteil der internen Elektrolyse-Wasseraufbereitungsmethode besteht darin, dass sie keinen Energieverbrauch erfordert. Mit dieser Methode können verschiedene Schadstoffe und Farbwerte im Abwasser entfernt und gleichzeitig die biologische Abbaubarkeit schwer abbaubarer Substanzen verbessert werden. Die Mikroelektrolyse-Wasseraufbereitungstechnologie wird im Allgemeinen in Kombination mit anderen Wasseraufbereitungstechnologien als Vorbehandlungsmethode oder ergänzende Methode verwendet, um die Behandelbarkeit und biologische Abbaubarkeit von Abwasser zu verbessern. Gleichzeitig hat die Mikroelektrolyse-Wasseraufbereitungsmethode jedoch auch Nachteile. Die Nachteile bestehen darin, dass die Reaktionsgeschwindigkeit relativ langsam ist, der Reaktor leicht verstopft und es schwierig ist, hochkonzentriertes Abwasser zu behandeln.
Als neue Abwasserbehandlungsmethode wurde die Eisen-Kohlenstoff-Mikroelektrolyse-Technologie zunächst bei der Behandlung von Druck- und Färbeabwässern eingesetzt. Darüber hinaus gibt es auch viel Forschung und Anwendungen bei der Behandlung vieler organischer Abwässer wie Papierherstellungsabwässer, pharmazeutische Abwässer, Kokereiabwässer, organische Abwässer mit hohem Salzgehalt und galvanische Abwässer, petrochemische Abwässer, Pestizidabwässer und arsenhaltige Cyanidabwässer. Bei der Behandlung organischer Abwässer werden die oxidierenden Gruppen in der organischen Substanz durch die neuen ökologischen Eisenionen reduziert, was zu Adsorption, Flockung, Komplexierung und galvanischer Abscheidung führt. Die Mikroelektrolysemethode kann nicht nur die organische Substanz entfernen, sondern auch den COD entfernen und die biologische Abbaubarkeit verbessern, wodurch die Bedingungen für die weitere Behandlung geschaffen werden.
In der Praxis hat die Methode der Eisen-Kohlenstoff-Mikroelektrolyse ihre Vorteile gezeigt, es gibt jedoch auch Probleme wie Härtung und pH-Anpassung. Diese Probleme haben die Weiterentwicklung des Verfahrens eingeschränkt. Es bedarf weiterer Forschung, um günstigere Bedingungen für die Eisen-Kohlenstoff-Mikroelektrolysetechnologie zur Behandlung von großindustriellem Abwasser zu schaffen.
Die elektrochemische Wasseraufbereitung kann auch in Kombination mit anderen Methoden eingesetzt werden, um die Effizienz und Qualität der Abwasserbehandlung deutlich zu verbessern. Derzeit wird die Abwasserbehandlungstechnologie verstärkt auf die Kombination von elektrochemischen und biologischen Methoden untersucht. Durch die Kombination dieser beiden Methoden können verschiedene Schadstoffe im Wasser in der gemeinsamen Behandlung von biologischer und elektrochemischer Technologie effektiv abgebaut und behandelt werden. Der durch den elektrochemischen Reaktionsprozess erzeugte schwache Strom kann die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen effektiv stimulieren und so die Effizienz der biologischen Behandlung fördern. Daher bietet die Kombination dieser beiden Methoden Vorteile, die mit anderen Methoden bei der Behandlung von schwer biologisch abbaubarem Abwasser und unvollständiger Elektrolyse von Abwasser nur schwer zu erreichen sind.
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