电化学技术在环境保护方面的应用Word格式文档下载.docx

1、1.电化学技术与环境污染的治理 1.1液相污染治理 1.1.1无机污染废液处理 利用电沉积、电化学氧化还原、光电化学氧化等电化学方法 , 可以处理多种无机污染废液。如:有毒重金属离子、有毒无机盐（包括氰化物、硫氰酸盐） 、硫酸盐、硫化物、氨等。电化学法处理含有毒重金属离子的稀废液是最常应用的。电镀、冶金、印刷电路、显影等许多工业都排放出大量含金属离子的稀废液 , 近年来对排放液中金属离子的含量要求越来越严格 , 传统加碱沉淀金属离子的方法只能使 Cu、Zn 等少数金属离子达到排放浓度要求 , 而且对环境有较大污染。这促使电化学方法处理金属离子稀废液得到了发展。电化学方法处理金属离子稀废液的效率

2、取决于被移除粒子的传质速率、电极的有效面积、副反应的发生 , 而电极的结构和材料是影响传质速率和电极的有效面积的主要因素。因此 , 目前电化学方法处理含金属废液工艺的技术核心及研究方向是具有新型电极结构、材料的电解槽的设计开发。电解槽的形式可分为: 二维电极电解槽和三维电极电解槽。二维电极应用最多的是平面板电极和旋转圆筒电极。平面板电极电解槽应用范围广泛 , 它的结构简单 , 电势和电流密度分布均匀 , 可以方便的定期从开放阴极上取出电沉积的金属污染物 , 清除沉积物后的电极可重复使用。平面板电极电解槽的缺点是不适用于对稀溶液的处理。旋转圆筒电极电解槽具有均匀的电势和电流密度; 溶液在槽内湍流

3、流动 , 因此有很高的传质速率; 阴阳两电极距离间隔小 , 因此槽的占地空间小 , 欧姆损耗小; 能够实现不间断生产。旋转圆筒电极电解槽主要应用于对 Fe、Cu、Ag、Cr、Ni 等金属离子的去除或回收。与平面板电极电解槽相比 , 旋转圆筒电极电解槽的能耗较高些。三维电极电解槽的电极具有较大的表面积 , 传质速率高 , 电极材料廉价 , 可在低电势条件下生产。常见的有填充床电极和流化床电极。对三维电极电解槽的研究重点正向着开发多孔新型电极材料和新型填充材料的方向发展。但是 , 就目前而言 ,三维电极电解槽还存在很多技术难点 , 因此应用不是很广泛。在工业实践中 , 二维电极的效果要优于三维电极

4、 , 尤其是旋转圆筒电极应用于处理金属离子稀废液的效果最佳。更多、更新的电极和电解槽的设计、开发必将使电化学方法处理废液应用更加广泛。1.1.2 有机污染废液处理 利用电化学方法 , 可使有机污染物在电极上发生直接电化学反应 , 转化为无害物质 , 例如对酚类、含氮有机染料、氰化物等的处理; 或发生间接电化学反应 , 利用电极反应产生强氧化作用的中间物质 , 对有机污染物氧化 , 最终降解。电化学方法处理有机污染废液的过程与电极材料、电极表面结构及负载情况、电解质溶液组成以及浓度等因素相关。其中电极材料是最重要的因素 , 不同的电极材料具有不同的特殊催化特性 , 可以产生不同的反应或不同的氧化

5、中间物质 , 因此电极材料的开发是电化学方法处理有机污染废液技术 1.1.3 其他电化学工艺 电渗析、离子交换辅助电渗析以及电浮选和电凝聚不仅可以用作清洁生产工艺以预防环境污染, 而且它们也是有效的废液处理方法。2 +2 +-工业上采用电渗析的方法处理含 Ni、CrO2、Sn、亚磷酸盐和次磷酸盐4等稀溶液。离子交换辅助电渗析以其可多样化设计 , 适用范围广等优点 , 成为开发应用热点, 例如从NiSO 稀溶液中回收 Ni , 浓缩 CuCl 稀溶液等。采用电浮426 +选和电凝聚可除去废水中有毒物Cr、磷酸盐、胶体、悬浮物和有机物。 1.2 气相污染治理 化工厂、热电厂等工业排放出许多有毒、污

6、染环境的气体 , 如: Cl、HS、22SO、NOx、CO等。电化学方法可处理净化废气。首先气态污染物通过电解液被22 吸附或吸收 , 然后直接在电极上发生电化学污染物转换 , 或者间接的利用均相、异相氧化还原媒介对污染物进行转换。电化学方法处理净化废气工艺可分为槽内工艺和槽外工艺。槽内工艺是气体直接经吸附转移到电化学反应器内并被处理; 槽外工艺是气体先被吸附到独立容器中，再转移至电化学反应器中进行处理。处理设备见下图 1.3电化学技术治理污染的局限性及对策 电化学技术治理污染具有许多优点,但是,也存在一些局限性。如电耗和电极材料耗量较大,人们对电化学装置不熟悉。此外,当被处理物质浓度低时,

7、由于物质传递速度慢,导致处理时间延长, 副反应的发生使电流效率降低,这主要通过设计新型的电解槽来解决, 以利于提高电解液的流速来增大溶液的扩散速度, 提高单位体积电极的表面积、缩短溶液中离子传递的距离来加快处理速度。2.电化学技术与环境污染防范 2.1 化学电源 化学电源是按电化学方式直接将化学能转化为电能的一种装置。人类转化能量的传统方式是热机过程 , 然而热机过程受卡诺循环的限制 , 不但能量转化效率低造成能源浪费 , 而且产生大量的粉尘、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物质以及噪声 , 造成大气、水质、土壤等污染 , 是环境保护所要解决的重要部分。与热机过程相比 , 化学电源具有高

8、效、清洁、经济、安全的优点。在经历了 100 多年的发展后 ,化学电源已被广泛应用于航空航天、机动车辆、大型电站、移动通讯、家用电器等领域。因此 , 化学电源为保护环境、减轻污染治理的压力做出了重大贡献。化学电源按活性物质的保存方式可分为3种主要类型: 一次电池、二次电池（蓄电池）和燃料电池。由于一次电池不易回收 , 随着环保和节约地球有限资源的要求 , 近年来人们将研究重点置于二次电池和燃料电池的研究 , 原有的一次电池也向二次电池转换。铅酸蓄电池是人们长期使用的传统二次电池 ,目前它虽然有比能低、充电速度慢、寿命不长的缺点 , 但它的成本低廉 , 人们正在对铅酸蓄电池的改进做深入研究。同时

9、 , 新型蓄电池已得到快速发展 , 新型蓄电池向着比功率、比能大、寿命长、安全、成本低的方向发展。例如 Cd/ Ni 电池、MH/Ni 电池、Na/ S电池、Li/ Ion 电池、Li/ Polymer 电池、Zn/空气电池等。燃料电池具有高效、环境友好、安静、可靠性高的优点。燃料电池按电解质可分为 5 类: 碱性燃 料 电 池 （ AFC） 、质 子 交 换 膜 燃 料 电 池（PEMFC） 、硫酸盐燃料电池（ PAFC） 、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC） 。燃料电池应用广泛 , 既适用于集中发电 , 也可以用于各种规格的分散电源和可移动电源。质子交换膜燃料电

10、池可在室温下几秒钟快速启动 , 其工作电流密度可达 1,4 A?cm- 2, 比功率 011,012kW? kg - 1, 能量转化率可达 40 %,50 %。因此 ,它是电动汽车、潜艇动力源和各种可移动电源的最佳选择 , 目前对质子交换膜燃料电池的研究已成为燃料电池研究的主流 , 尤其是对直接以甲醇为燃料的质子交换膜燃料电池的研究。固体燃料电池特别适于建造大、中型电站 , 其燃料的总发电效率可达 70 %,80 %。熔融碳酸盐燃料电池应用于建造区域性分散电站 , 燃料的总发电效率可达60 %,70 %。20 世纪汽车工业的发展 , 使得全球的车辆数目激增至约 6 亿辆 , 因此基于无污染、零

11、排放电动汽车的开发与研究 , 更促使二次电池和燃料电池飞速发展。有人预测 , 以化学电源为基础的人类文明社会即将到来。化学电源必将为可持续发展和保护环境做出更大贡献。2.2电化学清洁工艺 电化学过程对反应条件要求不高且具有高选择性 , 不仅减少了副反应产物 , 还使一些特殊的化学反应成为可能 , 它可以实现有用原料的循环使用 ,减少污染物的产生和排放。2.2.1 有机电合成 有机电合成法就是借助电极传递电子 , 使有机物氧化或还原 , 而不采用化学品直接氧化或还原有机物。它是电化学、有机化学和化学反应工程的交叉学科。有机电合成具有反应条件温和（可在常温常压下进行） 、工艺流程简单、易于实现自动

12、控制、产物选择性高、副产物少、污染少甚至无污染等优点 , 是绿色合成的必要途径之一 , 被称为绿色工业。基于有机电合成的这些优点和传统化学合成的三废污染严重的现状 , 有机电合成取得了高速发展。电合成方法生产的有机产品已经超过了 100 多种。世界上有机电合成的产品产量由过去的几吨增加到 10 万多吨 4 +3 +有机电合成法生产重要化工原料己二腈早已被人们所熟知。以 Ce/ Ce3 +2 +或 Mn/ Mn为氧化还原媒质间接电氧化法合成氟代苯甲醛, 母液可循环使用 , 整个工艺基本无污染物产生。再如 ,可采用阴极间接电氧化的方法以各种氧化媒质对烯酸进行间接环氧化; 用成对电解合成重要生化试剂

13、L - 磺基丙氨酸以及环氧化合物、1 ,2 - 二醇化合物、邻卤代醇等重要有机化合物。有机电合成技术应用广泛 , 有广阔的发展前景。2.2.2 电化学水消毒 工业废水、生活污水、游泳池水、饮用水等水的处理与制备都涉及到消毒技术。常见的消毒技术主要有氯消毒、臭氧消毒以及紫外辐射消毒。氯是一种优质消毒剂 , 有很强的杀菌灭藻作用 , 且价格低廉 , 应用比较广泛 , 但氯消毒技术有很大的不足之处 , 氯消毒过程不仅具有高危险性 , 而且会产生很多毒性很大的副产物。例如: 三氯甲烷、四氯化碳等许多致癌物质 , 对人和环境都有极大的危害;臭氧消毒以及紫外辐射消毒效果较好 , 但其能耗和价格很高。用电化

14、学方法在线制备消毒剂水消毒技术已经得到发展。电化学水消毒能够弥补上述方法的不足 , 它节能廉价、无残留、安全。例如在一般的条件下 ，可以以电解方式在线制备 HO , 有很好的消毒效果。 22电化学水消毒可用石墨或石墨纤维电极、金属钛电极、多孔碳及 SnO2 电极等。还可以基于电吸附和阳极直接氧化细胞内辅助酶A 的电化学消毒方法。 2.2.3其他电化学工艺 膜辅助电化学工艺如电渗析、电去离子（离子交换辅助电渗析）以及电浮选和电凝聚 , 通过替代对环境危害严重的老工艺 , 以其清洁的生产工艺在环境污染防护、环境污染治理方面都起着重要作用。例如 , 用电渗析法可制高纯水以及应用于海水淡化; 电浮选和

15、电凝聚可用于各种用水的预处理。最近发展较快的电去离子技术 , 是将电渗析与离子交换技术相结合而组成的一种新工艺 , 它与反渗透装置联合已应用于工厂给水制备中。电去离子技术不仅具有很高的性能价格比 , 而且无需使用酸、碱再生化学剂 , 从而减少废液处理和排放。据预计 , 在今后的几年内大约有 85 %的工业水处理系统要用到 RO/ EDI技术。 3.电化学技术与环境监测 以电化学分析方法为原理的电化学传感器 , 具有快速、灵敏、准确、结构简单、便于自动化等优点 , 在环境监测中应用广泛。3.1离子传感器 离子传感器也可称为离子选择性电极。其构造的主要部分是离子选择性膜 , 因为膜电位随被测定离子

16、的浓度而变化 , 故通过对离子选择性膜电位的测定可以得到被测离子浓度。按膜的种类不同 , 离子传感器有固体膜离子传感器: 玻璃膜、难溶盐和液体膜离子传感器。玻璃膜传感器出现最早 , 应用最广。目前较为常用的是 NaO 2- AlO - SiO 混合玻璃膜。它对离子的选择性是随电解液的 pH 值和玻璃组成232+而变的 , 一定组成玻璃膜在低 pH 值电解液中 , 只对H有选择性 , 但在高 +pH 值电解液中 , 可以有效响应碱金属离子如 Na、K、Li。掺 EuF的氟化镧传感器是应用很广泛的一种固体膜传感器 , 被各国用于2 监测饮用水或污水中氟的含量。难溶盐硫化银与卤化银混合的晶体膜电极可

17、以测-定卤素离子（Cl、Br、I） ; 难溶盐硫化银还可与金属硫化物制成膜电极 , 测2 +2 +2 +定相应的金属离子（如 Cu、Pb、Cd）。液体膜离子传感器的电极是将敏感材料有机液体离子交换剂充分渗透在惰性多孔电极膜中制成的。目前 , 常将液体膜制成类似固态的“固体”膜 , 如 PVC膜电极等其他有机材料膜电极成为研究热点。3.2气体传感器 目前, 电化学气体传感器可以用于检测环境中的 许 多 气 体 , 如 O、2CO、HS、NH、Cl、HCN、NOx、SOx、偏二甲肼、汽车尾气等。 232测定气体分子的传感器材料很多 , 原理各异。例如 , 基于电位测量原理的基于电流测量原理的控制电

18、位电解型传感器气敏电极、固体电解质气体传感器;等。其中固体电解质气体传感器备受关注。固体电解质气体传感器无需水作为电解液 , 其灵敏度高、稳定性再现性好、耐高温耐腐蚀、结构简单灵巧。NASICON、- AlO 等固体电解质 SOx、NOx、O、CO 传感器 , 陶瓷尤其是氧化锆陶瓷传2322感器 , 用于测定 O、CO、CO、SOx 取得了很大的发展。3.3电化学生物传感器 电化学生物传感器是利用生物体可以对特定物质进行选择性的识别、反应、生成电极活性物质 ,然后采用电位测定或电流测定的化学传感器。它的发展历史不长 , 但在环境监测领域上有着广泛的应用和良好的开发前景。酶生物传感器已经应用于检

19、测多种物质,例如: GOD膜/ HO电极或 GOD 膜/ 22 O 电极酶传感器可测定葡萄糖; 尿素酶膜/ NH 电极测定尿素; 尿素酶膜/ HO 2322电极测定尿酸等。微生物传感器较酶生物传感器价格便宜 , 稳定性好 , 目前得到广泛研发与应用。例如 , 利用微生物传感器对废水污染程度指标: 生化需氧量（BOD）的测定; 氨、NO、亚硝酸根和硝酸根以及甲烷的测定。 24.结语 电化学技术在环境保护中的应用还处在发展阶段 ,但凭借其许多独特的优点已成为十分活跃的研究领域。虽然有些电化学方法只是处于小试阶段 ,但随着电化学技术研究的发展、 新型电极材料与新型电极的开发以及与其它方法的联用 ,电化学技术在环保领域中将显示出更广阔的应用前景。参考文献 ,1, 郭鹤桐, 章奇贤. 电化学教程M. 天津: 天津大学出版社, 2000 ,2, 衣宝廉. 燃料电池M , 北京: 化学工业出版社, 2000 ,3, 顾登平, 贾振斌. 有机电合成进展M . 北京: 中国石化出版社, 2001 ,4, 崔晓丽 , 赵汝琪 , 范小振等. 电化学技术在环境保护中的应用,M,. 河北化工 , 1999 ,5, 谢光炎 , 梁开文 , 肖锦. 废水净化的电化学方法进展-给水排水,M, , 1998 ,6, 童庆松. 电化学技术在净化环境中的应用,M,. 环境保护 ,1994