光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水探究

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摘要：對(duì)電絮凝水處理方法的原理進(jìn)行了分析，并總結(jié)了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的特點(diǎn)。綜述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水的研究，并指出了今后光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器的研究方向。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；電化學(xué)反應(yīng)器；電絮凝；廢水處理

水是人們生產(chǎn)生活中不可或缺的重要資源，但目前由于城市污水的排放、垃圾填埋、農(nóng)業(yè)面源、采礦、煉油及工業(yè)廢水的排放，水資源已造成了嚴(yán)重的污染。主要污染物包括有機(jī)物、重金屬離子、氯離子、硝酸鹽及硫酸鹽等。大量的新興水環(huán)境污染物的出現(xiàn)，對(duì)目前的給水及排水處理技術(shù)提出了更高的要求。飲用水的常規(guī)處理方法包括混合、絮凝、沉淀、過(guò)濾等單元，可以有效去除水中的懸浮物和膠體[1-2]。污、廢水的處理方法有物理方法、化學(xué)方法及生物處理方法等，可有效去除水中的有機(jī)物及重金屬[3]。上述方法有的會(huì)有副產(chǎn)物產(chǎn)生，造成水的二次污染，還有的能源消耗較高[4]。近幾十年來(lái)，電化學(xué)水處理方法受到了人們的高度重視。電化學(xué)水處理方法的優(yōu)勢(shì)是效率高，能轉(zhuǎn)化為清潔能源，避免揮發(fā)性污染物的產(chǎn)生，設(shè)備可一體化，容易操作[5]。電化學(xué)水處理方法包括電絮凝，電極氧化還原等，其中電絮凝處理各種廢水受到了廣泛的研究[6]。但電絮凝水處理技術(shù)耗能比較高，可利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，將光伏引入到電絮凝系統(tǒng)，能夠降低能耗，因此光伏電絮凝技術(shù)有著良好的應(yīng)用前景[7]。本文對(duì)光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器處理廢水的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并指出了今后的研究發(fā)展方向。

1電絮凝水處理原理

電絮凝，也叫電凝聚，是一種集混凝、氣浮、電化學(xué)作用于一體的電化學(xué)水處理方法[8]。電絮凝通常利用鐵、鋁等可溶金屬作為陽(yáng)極，惰性電極作為陰極，電極通電后，陽(yáng)極能夠溶解產(chǎn)生相應(yīng)的離子。離子在水中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成絮凝劑，發(fā)揮凈水中作用。鐵陽(yáng)極通以直流電后，陽(yáng)極的Fe溶解，失去電子，變成Fe2+或Fe3+，在水中反應(yīng)可生成Fe(OH)2或Fe(OH)3。陽(yáng)極鋁可變成Al3+則生成Al(OH)3。Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)3及Al(OH)3均可作為混凝劑，破壞水中膠體的雙電層的結(jié)構(gòu)，使膠體顆粒脫穩(wěn)，再輔以沉淀過(guò)程，使膠體顆粒沉淀，實(shí)現(xiàn)泥水分離[9]。另外氧氣會(huì)在陽(yáng)極上產(chǎn)生，氫氣在陰極析出。陰、陽(yáng)極氣泡可以和水中的污染物一起上浮，將污染物帶到水面而分離。鐵、鋁電極通電后發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)見(jiàn)式（1）-（10）[10-13]。電絮凝反應(yīng)不需要填加化學(xué)混凝劑，因而是一種環(huán)境友好的水處理方法。通過(guò)改變電解電壓或電流密度就可改變電絮凝的運(yùn)行參數(shù)，易于對(duì)電絮凝池進(jìn)行自動(dòng)控制。電絮凝法在一些高濃度有機(jī)廢水，如印染、紡織、焦化等工業(yè)廢水的處理中有較多的研究應(yīng)用[14]。鋁電極陽(yáng)極反應(yīng)：

2太陽(yáng)能發(fā)電

電絮凝方法在廢水處理中的應(yīng)用會(huì)導(dǎo)致電力消耗和后續(xù)處理成本的增加，因?yàn)殡娏髅芏仁请娀瘜W(xué)方法的重要影響因素之一。這促使研究人員尋找有效的可再生能源取代傳統(tǒng)的電能。傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣和核能將增加二氧化碳排放量，會(huì)導(dǎo)致全球變暖。可再生能源有地?zé)?、太?yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、生物質(zhì)能和水力。其中太陽(yáng)能是一種有吸引力的可再生能源。太陽(yáng)能資源豐富，免費(fèi)提供、可持續(xù)、無(wú)溫室氣體和有毒氣體，它允許立即傳輸電力以及存儲(chǔ)。將太陽(yáng)光的輻射能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，稱為光伏發(fā)電。光伏發(fā)電利用的是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射在PN結(jié)上，除了部分光被反射，另一部分能量中的光子將半導(dǎo)的電子激發(fā)，形成電子-空穴對(duì)[15]。在電場(chǎng)的作用下，空穴由N區(qū)流向區(qū)極，電子向反方向流動(dòng)，這樣就形成了電流[15]。將太陽(yáng)能電池板輻射的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置稱光伏發(fā)電裝置，它由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直交流逆變器、直流負(fù)載與交流負(fù)載等組成[16]。

3光伏驅(qū)動(dòng)電絮凝反應(yīng)器的研究

Jawad等[17]設(shè)計(jì)了10mm×110mm×200mm的矩形反應(yīng)器，利用四塊鐵孔板電極，在21W太陽(yáng)能電池的驅(qū)動(dòng)下，降解了酸性橙2染料合成廢水（10～30mg·L-1），其結(jié)論是更高的電流密度和更小的電極間距有利于提高染料的去除率。并且當(dāng)pH=7，電流密度=2mA·cm-2，極板間距=5mm，t=40min時(shí)，酸性橙2達(dá)到100%去除率。Pirkarami等[18]在太陽(yáng)能電池供電的條件下，利用1L的玻璃反應(yīng)器，比較了多種陽(yáng)極（鐵、鋁、鐵鋁組合、鈦電極）對(duì)酸性橙2合成廢水，活性藍(lán)19合成廢水，實(shí)際的紡織廢水的電絮凝處理性能。實(shí)驗(yàn)得出的最佳條件為電極間距10mm，鐵電極，電流密度45A·m-2，溫度25℃,pH=7,污染物15mg·L-1。Naje等[19]利用旋轉(zhuǎn)型鋁陽(yáng)極也對(duì)紡織廢水的光伏電絮凝效果進(jìn)行了研究。在電流密度4mA·cm-2,反應(yīng)時(shí)間10min,pH=4.57時(shí)，裝置對(duì)COD、BOD、TSS、濁度和色度的去除率分別為97.10%，95.55%，98%，96%和98.50%。電極消耗為0.038kg·m-3，能耗為4.66kWh·m-3，操作費(fèi)為0.44美元·m-3。Elkacmi等[20]制作了1個(gè)10L的透明有機(jī)玻璃反應(yīng)器，由兩個(gè)平行的圓柱形部分、一個(gè)內(nèi)徑為75mm的提升管和一個(gè)內(nèi)徑為44mm的下降管組成。配置了鋁陽(yáng)極，其光伏模塊表面積為1.48m2，功率為230W，短路電流為8.61A，開(kāi)路電壓為33.32V。對(duì)橄欖廠廢水進(jìn)行電絮凝反應(yīng)的結(jié)果是當(dāng)初始pH值為5.6，電流密度32.14mA·cm-2，t=40min，COD去除率79.24%，多酚去除率94.82%，色度去除率為97.87%。電極溶解量0.1118kg·m-3，比能耗9.86kWh·m-3，運(yùn)營(yíng)成本0.2美元·m3。García-García等[21]采用光伏電絮凝-電氧化聯(lián)合工藝處理工業(yè)園區(qū)的廢水，銅用于陽(yáng)極和陰極，反應(yīng)器0.125L，光伏電池提供1~3A的電流強(qiáng)度，225W的功率。結(jié)果表明聯(lián)合工藝的TOC去除率70.26%，COD去除率99.7%，色度去除率100%。Dermentzis等[22]利于表面積為1.63m2的單晶硅板發(fā)電，峰值功率327W，電能供應(yīng)于電絮凝反應(yīng)器。反應(yīng)器為400mL的圓柱形玻璃池，內(nèi)置10cm×5cm×0.2cm的3塊鐵板，極間距離為0.5cm。對(duì)電極施加20mA·cm-2的電流密度后，電鍍廢水中鉻去除率超過(guò)99%，相應(yīng)的電能消耗為8.4kW·m-3水。Hussin等[23]利用穿孔鋅電極（7cm×5cm)，在極板間距為的1cm的條件下在1L硼硅玻璃燒杯發(fā)生電絮凝反應(yīng)，對(duì)鉛離子的去除率為99.9%。此實(shí)驗(yàn)采用的是多晶硅電池供電，電流密度為1.13mA·cm-2。Apshankar等[24]利用2塊14.5cm×2.5cm×0.1cm的低碳鋼電極，在電極間距2cm條件下處理飲用水的硝酸鹽（95.53mg·L-1），其太陽(yáng)能電池為17V，5W，沒(méi)有電壓控制裝置。初始pH值10.8，通電時(shí)間3h，取得最大去除效率53%。Sharma等[25]利用兩個(gè)鋁電極（17cm×9cm×0.2cm)處理濁度15～20NTU，TOC=5.5mg·L-1，UV（254nm）吸光度=0.15，電導(dǎo)率=0.0805的高嶺土與腐殖酸配水。配置了65W單晶硅光伏面板(1210mm×540mm×28mm)及電壓控制器。在沒(méi)有充電控制系統(tǒng)的情況下最高濁度去除率為87%，最高紫外線吸光度去除率為85%。在有充電控制系統(tǒng)的情況下最大濁度和紫外吸光度去除率分別為90%和95%。Zhang等[26]將鋁電極（150mm×120mm×45mm）置于反應(yīng)器內(nèi)（150mm×120mm×45mm），以30W光伏太陽(yáng)能組件供電，其短路電流為1.93A，開(kāi)路電壓為21.6V。在電極間隙25mm，電導(dǎo)率范圍為765～135μS·cm-1時(shí)，處理自景觀水的中的磷,TP去除效率的預(yù)測(cè)值為97.77%，去TP需要的能量為0.71kWh·m-3。從以上實(shí)驗(yàn)來(lái)分析，電絮凝反應(yīng)器采有光伏供電的比較多，常用的反應(yīng)器為矩形，還有一些利用玻璃燒杯作為反應(yīng)器，處理的水量?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室的小型水量，如1～5L。所使用的電極材料包括鐵板，鋁板，鐵鋁組合，鈦，低碳鋼，銅，鋅及不銹鋼電極等。電極形式有板狀，棒狀，還有可旋轉(zhuǎn)的筒式電極。電絮凝所需電量采用單晶硅光伏面板發(fā)電，利用太陽(yáng)能電池進(jìn)行貯存電量。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有的實(shí)驗(yàn)配制電壓控制器，控制電壓的輸出，而有的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有電壓控制裝置。電絮凝反應(yīng)及電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的影響因素包括電流密度，電壓，電極間距，溶液的pH等因素，不同類型的廢水的最佳反應(yīng)條件顯示了一定的差異。但是總的來(lái)說(shuō)，提高的電流密度，縮小的電極間距有利于污染物的去除。有些研究也對(duì)電解的溶解量進(jìn)行的計(jì)算，另外能耗及操作費(fèi)也是影響電絮凝應(yīng)用的因素，對(duì)它們的評(píng)價(jià)也顯得尤為重要。目前利用光伏供電帶動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)器的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，有的是對(duì)實(shí)驗(yàn)室模擬配水進(jìn)行電化學(xué)處理，也有的處理實(shí)際的廢水，但水量還是較小，今后需提高水量，擴(kuò)大設(shè)備容積，優(yōu)化中試研究。另外太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的性能優(yōu)化也需要加以考慮。如晴天、陰天的發(fā)電量，電池能量的控制等都需要實(shí)際的測(cè)試。但從電化學(xué)反應(yīng)的能耗及易于設(shè)備化，易于自控制管理的角度來(lái)講，光伏供電化學(xué)反應(yīng)器在農(nóng)村分散污水的處理，小型工業(yè)廢水的處理方面有良好的應(yīng)用前景。

4結(jié)論與展望

電絮凝工藝由于設(shè)備簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化管理等優(yōu)點(diǎn)，在廢水處理中的應(yīng)用已經(jīng)有了較好的研究基礎(chǔ)，但由于電能的消耗，水處理成本較高。將電絮凝技術(shù)與先進(jìn)的光伏發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，從這種組合技術(shù)中獲得最高效率，從而將整個(gè)過(guò)程的成本降至最低。光伏電絮凝技術(shù)目前還限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，電極材料與形式的優(yōu)化，光伏系統(tǒng)的優(yōu)化配置，將是今后重點(diǎn)研究的方向。光伏電絮凝在陽(yáng)光充足地域的農(nóng)村分散廢水的處理及小型工業(yè)廢水的處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

作者:趙顯峰 單位:深圳市精鼎建筑工程咨詢有限公司