便攜式電凝聚飲水機的研制

張 璟,丁忠浩

(武漢紡織大學環境與城市建設學院,湖北武漢430073)

1 引言

1.1 國內外水資源現狀

水資源是世界上分布最廣,數量最大的資源。水覆蓋著地球表面70%以上的面積,總量達15億km3;也是世界上開發利用得最多的資源?，F在人類每年消耗的水資源數量遠遠超過其他任何資源,全世界用水量達3萬億t。同時,水也是地球上許多地區的稀缺資源。地球上水資源的分布很不均勻,各地的降水量和徑流量差異很大。全球約有1/3的陸地少雨干旱,加上人類活動的破壞和污染,缺水問題困擾人類,我國是全球13個嚴重缺水的國家之一。

運用科學技術比如電凝聚飲水等技術是解決潔凈飲水的途徑之一。

2 電凝聚法處理微污染水源水技術

2.1 電凝聚法原理

電凝聚技術具有許多傳統水處理工藝所沒有的優勢,能同時除去或降低有機物、細菌、色度、重金屬等有毒物質。在常規的水質凈化中,一般投加混凝劑,壓縮膠體的雙電層,并通過吸附架橋作用,形成較大的礬花,使之沉淀去除。通常的混凝劑為固態或半液態,需專用的溶解池,并在溶液池調制成一定的比例后再通過專用計量設備投加,運行和管理比較復雜[4]。而采用電凝聚可以通過改變電流密度控制混凝劑的量,可以省去常規的溶解、調配、計量等一系列設備,操作管理方便。

2.2 組合工藝及設備結構參數

2.2.1 組合工藝的確定

對于給水工藝來說,組合是很好的方法。電凝聚方法能有效地去除水中的各種污染物包括有機物和各種離子,如果與其它工藝相組合,形成更加好的處理效果,就可以將它應用在實際當中[5]。電凝聚殺菌效果很好,但殺菌率也只能達到91%,如果結合紫外線殺菌就可使殺菌效果幾近完美。對于有機物及水中其它雜質如在最后加上膜處理,在電凝聚過程中增加氣浮,增大電凝聚池的分離效率,就再無后顧之憂[6]。最后確定了以下的組合工藝,見圖1。

圖1 電凝聚法處理微污染水工藝流程圖

2.2.2 電凝聚的工藝參數

通過實驗結果[7],并結合文獻數據,可以得出當電凝聚的電流密度I為1.5h,即1.16mA/cm2的時候 ,處理時間 t通電為 10m in,沉降時間t沉降為10m in,這時的處理效果為最佳效果。這時的單位體積水所耗的電量為：Q=I＊L＊t=9.4x×1×10×60C/m3=5 640C/m3.

2.2.3 設備的主要結構參數

設計的飲水機要滿足不斷的供水需要,就要使進水速度即處理速度等于出水速度。這樣依照習慣,取出水速度等于1L/min,也就確定了處理速度為1L/min。供水設備的電凝聚槽的體積為V1=v?t通電=1×10L=10L。同理可得,沉降槽的體積V2也為10L。貯水池的體積V3可依照習慣取2L。在制作供水設備的具體制作當中,依照實際情況做了適當調整。(箱體尺寸為280mm×360mm×250mm)最后的設備結構示意圖和流程示意圖如圖2、圖 3。

2.2.4 便攜式供水設備對微污染水的處理效果

研制出便攜式供水設備后,分別用該設備對長江水、東湖水進行了處理。經湖北省衛生防疫站檢測,其出水完全符合《中華人民共和國生活飲用水水質衛生規范》(2001年)。檢測結果見表1、表2。表1設備進水為東湖水,設備出水為東湖水經設備處理后的凈化水;表2設備進水為長江水,設備出水為長江水位沒有處理后的凈化水。

圖2 便攜式供水設備結構示意圖

圖3 便攜式供水設備流程示意圖

表1 設備對東湖水的處理情況

結果匯總：東湖水經該設備處理后,所檢指標均符合《生活飲用水水質衛生規范》(2001)的規定要求。

表2 設備對長江水的處理情況

結果匯總：長江水經該設備處理后,所檢指標均符合《生活飲用水水質衛生規范》(2001)的規定要求。

3 電凝聚法處理微污染水源水機理分析

3.1 電凝聚法去除水中有機物及懸浮物的機理分析

3.1.1 電凝聚過程分析

在電凝聚過程中[8],電極的作用表現在2個方面：電極是電子的傳遞者,氧化、還原反應可以在電極表面進行;電極表面是“反應區域”,起著相當于多催化反應中催化劑表面的作用。一般來說,電極反應由下列單元步驟串聯而成：反應離子或反應物向電極表面遷移(液相中的傳質步驟);反應離子或反應物在電極表面吸附(表面轉化步驟);在電極表面得到或失去電子,生成反應產物(電化學步驟);反應產物在電極表面上脫附或在表面附近的液層中進行化學變化(表面轉化步驟);反應物生成新相,并自表面向溶液內部傳遞(液相中的傳質過程)。

當用鋁電極進行電凝聚處理時,鋁離子大量溶于水中,所形成鋁絡離子凝聚作用較強,水中COD和濁度的去除率較高,也就是電凝聚過程中廢水里的鋁離子及其各種絡離子的量是影響電凝聚效率的關鍵因素。在試驗過程中仔細觀察發現電凝聚槽里有微小的氣泡發生,是水中的離子或基團 在電凝聚過程中發生了電化學反應,被還原成氣體所致[9]。由上可見,當用鋁板作電極進行電凝聚處理時,陽極上的反應：

A l→A l3++3e,

A l3++6H2O→[A l(H2O)3]3+.

陽極上的副反應：

C l-+2OH-→ClO-+H2O+2e,

C l-→Cl2+2e.

陰極上的反應：

O2+2H 2O+4e→4OH-.

陰極上的副反應：

A l3++6H2O+6e→2A l(OH)3+3H2↑.

陽極副反應的產物是次氯酸鹽,它是一種強氧化劑,能將水中的有機物氧化分解成分子量較小的有機物和變成無害成分[10]。電解過程中新生的氫氧化鋁凝聚作用強,可有效地吸附和絮凝水中的膠體有機物及懸浮物,強化浮上分離及沉降效果。陰極副反應的產物是氯氣,它溶于水中生成次氯酸,同樣也能氧化水中的有機物。電凝聚前后水的色度明顯降低,得益于在陰極上還發生還原反應,使氧化型色素還原成無色。

3.1.2 A l3+的絮凝吸附機理

用電凝聚法得到的鋁絡合離子有很高的吸附活性,其吸附能力高于一般藥劑水解法得到的 A l(OH)3的吸附能力[11]。電凝聚法降低微污染水中COD的機理與混凝法有很大類似,它主要是借助于電化學反應產物的凝聚作用。電解過程中,pH值為6.9～8,這樣,在由[A l(H2O)6]3+最終趨于 A l(OH)3?(H2O)3的中間過程中,羥基可把單核絡合物通過橋鍵縮聚為多核絡合物：

上述縮聚反應的連續進行,將使絡合物逐漸形成高分子聚合物。這種高聚合物具有線型結構,通過范德華引力、氫鍵、物理、化學的吸附作用吸附水中的膠體與懸浮物[12]。另外,電解生成的A l3+和OH-最終可生成A l(OH)3膠體凝聚劑,在適當的pH值條件下,它吸附水中的膠體與懸浮物的鋁高聚物逐漸形成絮花,最后得以沉降。從DLVO理論(The Derjaguin Landau and Verwey Overbeck Theory)對膠體系統的描述來看,其基本特征是：具有一定分散度的多相系統,是一個熱力學不穩定系統。在膠體系統中聚結的傾向總是大于分散的傾向。

3.1.3 電氣浮原理

微污染水在電解時,由于水的離解及有機物的電解氧化,在陽極、陰極表面會產生大量的微小氣泡,析出氣體,這些氣泡在上升過程,可俘獲、粘附水中大量的雜質微粒及有機物浮到水面,從而達到分離的效果,反應機理如下[13]：

陰極：2H++2e→H2↑,

2A l++6H2O→2A l(OH)3+3H2↑.

陽極：4OH--4e→2H2O+O2↑.

另外,微污染水在直流電作用下,電解氧化時,有機物可產生CO2,氯化物可產生Cl2。產生的氣泡粒徑很小,密度也很小(見表3)。因此這些氣泡具有強大的俘獲、浮載的能力。

表3 幾種氣浮法產生的與平均密度的比較

這些氣泡對電凝聚過程產生的聚團、水中的懸浮物產生承載作用,帶著這些顆粒上升到水面,類似選礦中的浮選作用[14]。因此,電凝聚過程中的礬花在一定時間內是浮在水面上,而不是沉在底部。經過較長時間后,由于氣泡的破滅,水面上的礬花失去原來的承載力,又慢慢地沉到底部。電凝聚產生的氣泡粒徑小、不易破裂,故礬花由水面沉到底部的時間是較長的,一般要幾個到幾十個小時。

3.2 電凝聚法殺菌機理分析

用電解法對飲用水進行殺菌、消毒,目前在國內研究不多。日本TsuzukiKoichi研究了用電解法殺滅微孢藻藻類,使水純化,在電壓為10V,電解時間為5min時,湖水中細菌的去除率達98%,游離氯達10mg/L,這也意味著電解產生的游離氯起著非常重要的作用。傅金祥等也發現隨著水中Cl-增大,殺菌效果愈明顯[15]。研究中隨機測試了部分電凝聚出水的游離氯,一般大于0.05mg/L。對于電凝聚殺菌機理比較復雜。電極反應中產生的Cl2、Cl-、HCl對殺菌的作用不容質疑。另外在陽極反應中生成的O2也不能完全忽視。這是因為產生的O2水解在陰極還原產生過氧化氫陰離子,過氧化氫陰離子可進一步分解過氧化氫等活性物質,另外過氧化氫可在還原態金屬離子的作用下形成羥基自由基。羥基自由基很活潑,幾乎可以和任何活細胞的分子反應,從而破壞細胞膜并滲透到細胞內破壞有機物的鏈狀結構,從而使微生物死亡。另外,微生物在水中一般表現為帶負電,因此會向陽極遷移、聚集而造成生物放電直接死亡,或因處于電流導通路上遭受高速運動的電子的沖擊死亡。

3.2.1 氯殺菌

電解含氯廢水,產生CLO-和少量更高價的氯鹽。在電解過程中陽極上發生如下反應：

2CI—2e→Cl2,Cl2+H2O →HCIO+HCI.

OH-離子擴散到陽極周圍的液層中與HCIO反應生成CIO-：

HCIO+OH-→H 2O+CIO-.

并有可能進一步反應生成氯酸：

12CIO-+6H 2O-12e→4HCIO3+8HCI+3O2.

所產生的HCIO和HCIO3均是強氧化劑,對微生物有較強的殺滅效果。

3.2.2 氧化物殺菌

電解過程產生H 2O2或?OH和O2,

H2O2-e→?OH+H+,?OH+?OH→H 2O2.

或在電解和催化作用下生成H 2O2,再轉化成氧化性極強的羥基自由基?OH：

H2O2+e→?OH+OH-,H2O2+?OH→H2O+HO2

H2 O2和?OH均有強殺菌作用。另外,還產生了超氧陰離子O2-等其他活性物質,這可能是水在電解過程中除產生極化現象外,其中的溶解氧得到了活化。以上兩種均屬間接殺菌作用。

3.2.5 電殺菌

電解直接作用于細菌活細胞體,破壞某個細胞器,致使細菌死亡(例如電離細胞質,脈沖電壓擊穿細胞膜等)。尤其是在吸附-電解殺菌裝置中,吸附劑一般有大量的過度孔和微孔,有較大的物理吸附能力。細胞被吸附在聚集吸附區內有利于集中電解殺滅。細菌的電解殺滅,又恢復了吸附劑的部分吸附能力,發生“自我再生”作用。

4 結語

電凝聚技術還存在許多不足之處：需要定期更換電極;溶液要保持一定的電導率;耗電量較大等。為此,今后應對電凝聚過程中的物理、化學過程的機理進行深入研究;對電極材料、極化方式以及各種因素著手,尋找新的電極材料;將電凝聚與傳統工藝結合,發揮各自特長。隨著電凝聚技術的進一步完善,在生活中的應用將更加廣泛。

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