电化学水处理技术课件讲义

电化学水处理技术ElectrochemicalwatertreatmenttechnologyReporter:Group5电化学水处理技术Electroch1组员及分工水处理文献讲解：

《电化学-生物接触氧化组合技术处理除草剂废水效能研究》基础知识：电化学水处理技术概述组员及分工水处理文献讲解：

《电化学-生物接触氧化组合技术处2引言废水处理Wastewatertreatment引言废水处理Wastewatertreatment3

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?什么是电化学?什么是电化学水处理技术?电化学水处理技术的实际应用?电化学水处理技术的最新进展?

今天我们共同探讨这个话题…

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?什么是电化学?

?4绪论电化学是研究化学能和电能之间相互转化的一门学科，是物理化学的一个重要分支电化学工程是国民经济种一大支柱行业（氯碱、电镀……）电化学与环境科学相结合，形成了环境电化学或环境电化学工程的研究领域在环境监测、环境污染物治理、清洁生产、清洁能源等方面的应用研究快速发展作为难降解有机物处理方面的高级氧化技术近年来成为研究热点绪论电化学是研究化学能和电能之间相互转化的一门学科，是物理化5发展历史1799年Valta的Cu-Zn原电池是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源1833年建立电流和化学反应关系的法拉第定律19世纪70年代Helmholtz提出双电层概念1887年Arrhenius提出电离学说1889年Nernst提出电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方程1905年提出Tafel公式，揭示电流密度和氢过电位之间的关系20世纪50年代Bochris等发展的电极过程动力学近几十年半导体电极过程特性研究和量子理论解释溶液界面电子转移等研究发展历史1799年Valta的Cu-Zn原电池是世界上第一个6BasicconceptionofelectrochemistryBasicconceptionofelectroche7一、电化学基本概念研究对象电化学用途两类导体正极、负极阴极、阳极原电池电解池一、电化学基本概念研究对象电化学用途两类导体正极、负极阴极、8

1、电化学研究对象电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。电能

化学能电解电池一、电化学基本概念1、电化学研究对象电化学主要是研究电92、电化学的用途⒈电解精炼和冶炼有色金属和稀有金属； 电解法制备化工原料； 电镀法保护和美化金属； 还有氧化着色等。⒉电池汽车、宇宙飞船、照明、通讯、生化和医学等方面都要用不同类型的化学电源。⒊电分析 ⒋生物电化学一、电化学基本概念2、电化学的用途⒈电解精炼和冶炼有色金属和稀有金属；⒉电池103、两类导体A.自由电子作定向移动而导电B.导电过程中导体本身不发生变化C.温度升高，电阻也升高D.导电总量全部由电子承担又称电子导体，如金属、石墨等。第一类导体一、电化学基本概念A.正、负离子作反向移动而导电B.导电过程中有化学反应发生C.温度升高，电阻下降D.导电总量分别由正、负离子分担第二类导体又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。3、两类导体A.自由电子作定向移动而导电B.导电过程中导体本114、电极一、电化学基本概念4、电极一、电化学基本概念12阴极、阳极：按照电荷的流动方向分电极一、电化学基本概念阴极、阳极：按照电荷的流动方向分电极一、电化学基本概念13按照电化学体系中的作用分电极工作电极(workingelectrode）辅助电极（counterelectrode)参比电极（referenceelectrode)一、电化学基本概念按照电化学体系中的作用分电极工作电极(working14工作电极研究的电极反应在该电极上发生工作电极的基本要求：电极与溶剂和电解质组分不发生化学或物理反应研究的电化学反应不受电极变化的影响电极表面均匀、平滑、容易进行表面净化电极面积不宜太大

电极种类

石墨、玻碳、铂、镍、铅基合金、钛基涂层（RuO2、IrO2)电极电极一、电化学基本概念工作电极研究的电极反应在该电极上发生电极一、电化学基本概15辅助电极与工作电极组成回路，使工作电极电流通畅，保证电极反应进行辅助电极基本要求：

不影响工作电极上的电极反应；要求有较大的表面积，使工作电极上具有较大的电流密度；辅助电极本身电阻小电极一、电化学基本概念辅助电极与工作电极组成回路，使工作电极电流通畅，保证电极反应16参比电极已知电极电位、接近理论不极化的电极，用于测定工作电极的电极电位参比电极的基本要求：

可逆电极，电极电位符合能斯特方程；具有较大的交换电流密度；电极电位稳定、重现；甘汞电极、标准氢电极等电极一、电化学基本概念参比电极已知电极电位、接近理论不极化的电极，用于测定工作电极175、离子迁移方向离子迁移方向：阴离子迁向阳极阳离子迁向阴极一、电化学基本概念5、离子迁移方向离子迁移方向：阴离子迁向阳极阳离子迁向阴极一186、原电池与电解池原电池

(galvaniccell)一、电化学基本概念6、原电池与电解池原电池

(galvaniccell)一、196、原电池与电解池电解池(electrolyticcell)一、电化学基本概念6、原电池与电解池电解池(electrolyticcell20二、电化学水处理技术电化学水处理技术是指在外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程，对废水中的污染物进行降解的过程。1、定义二、电化学水处理技术电化学水处理技术是指在外加电场的作用下，21二、电化学水处理技术2、基本原理原理直接电解间接电解阳极过程：有机物氧化阴极过程：卤代烃、重金属可逆过程：金属氧化物高低价态转化不可逆过程：产生的强氧化性物质或自由基二、电化学水处理技术2、基本原理原理直接电解间接电解阳极过程22

1、

环境兼容性高电化学技术中使用清洁、有效的电子作为强氧化还原试剂,

是一种基本对环境无污染的“绿色”生产技术。2、多功能性电化学过程具有直接或间接氧化与还原、相分离、浓缩与稀释、生物杀伤等功能，能处理到1

×10-6L的气、液体和固体污染物。3、能量高利用率与其他一些过程相比,

电化学过程可在较低温度下进行。它不受卡诺循环的限制，能量利用率高。通过控制电位、合理设计电极与电解池，减小能量损失。4、经济实用设备、操作简单,

费用低。二、电化学水处理技术3、电化学技术的优点

1、

环境兼容性高电化学技术中使用清洁、有效的电子作为23电化学氧化电化学还原电吸附电凝聚电渗析4、主要技术二、电化学水处理技术电化学氧化4、主要技术二、电化学水处理技术24直接氧化

使有机物或还原性无机物氧化为无害物质，对于难降解有毒有机物转化有意义间接氧化阳极反应产生有强氧化作用的中间产物，使污染物被氧化为无害物质利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，或阳极反应产物（Cl2、ClO－、O2）间接的氧化作用，降解消除水中的氰、酚以及COD、S2－等污染物。4.1电化学氧化（阳极过程）二、电化学水处理技术直接氧化利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，或阳极反应产物（C25利用不锈钢阴极或Ti基镀Pt电极的授予电子能力，相当于还原剂使用Cr6＋、Hg2＋等重金属离子直接得到电子还原沉积出来。4.2电化学还原（阴极过程）溶解性金属离子的回收和重金属污染物的去除

金属离子的电沉积高氧化态离子还原为低氧化态（六价铬变为三价铬）

含氯有机物还原脱氯，转化为低毒或无毒物质，提高生物可降解性

R-Cl+H+eR-H+Cl二、电化学水处理技术利用不锈钢阴极或Ti基镀Pt电极的授予电子能力，相当于还原剂264.3

电吸附采用大比表面积的吸附性电极分离水中低浓度的有机物

如将β-萘酚吸附到玻璃纤维球填充床电极上二、电化学水处理技术4.3电吸附采用大比表面积的吸附性电极二、电化学水处理技术27电气浮通过电解水产生的氢、氧气体，携带废水中的胶体微粒，共同上浮，从而达到分离、净化的目的。二、电化学水处理技术4.4电凝聚和电浮选电气浮二、电化学水处理技术4.4电凝聚和电浮选28从水相中分离悬浮物、胶体颗粒、油状物等化学法：加入浮选剂或絮凝剂气体浮选：通高压气体，颗粒物上浮电化学方法：电化学产生气泡，达到浮选目的电化学产生絮凝剂（氢氧化铁、氢氧化铝等）4.4电凝聚和电浮选二、电化学水处理技术从水相中分离悬浮物、胶体颗粒、油状物等4.4电凝聚和电浮选二29在外加直流电场的作用下，利用阴阳离子交换膜对水中离子选择透过性，阳离子透过阳膜迁移到阴极液中，阴离子透过阴膜迁移到阳极液中，从而达到浓缩、纯化和分离的目的。

在电场作用下，离子选择性通过膜，从一个溶液进入另一种溶液，实现离子化污染物的分离、浓缩。4.5电渗析二、电化学水处理技术4.5电渗析二、电化学水处理技术30二、电化学水处理技术4.5电渗析二、电化学水处理技术4.5电渗析311.有机废水的电化学处理有机物电化学氧化的优点

常温常压条件不（少）引入其它化学物质有机物电化学氧化的类型有机物完全氧化分解为二氧化碳和水（电化学燃烧）——需要大量电子、能耗高将难降解有机物转化为可生物降解物质，然后用生化法处理（电化学转化）

三、实际应用1.有机废水的电化学处理有机物电化学氧化的优点三、实际应用32有机物电化学氧化的原理三、实际应用有机物电化学氧化的原理三、实际应用331.1持久性有机污染物电化学氧化技术借助具有电催化活性的阳极材料，能形成氧化能力极强的羟基自由基(-OH)，既能使持久性有机污染物发生分解并转化为无毒可生化降解物质，又可将之完全矿化为二氧化碳或碳酸盐等物质。该项技术应用于持久性有机污染物废水处理，不仅可弥补其他常规处理工艺的不足，还可与多种处理工艺有机结合，提高水处理的经济性。电化学氧化过程中，具有电活性的阳极表面能起到吸附、催化、氧化等多种转化功能。低浓度的持久性有机污染物废水电导率很低，为了增强溶液导电性需要加入强电解质(如氯化钠、硫酸钠)。三、实际应用1.1持久性有机污染物电化学氧化技术借助具有电催化活性的341.2酚类三、实际应用目前，国内外对于含酚废水的研究较多，此类废水来源广、污染重，是芳香化合物的代表。电化学氧化含酚废水的影响因素有苯酚初始浓度、废水pH值、电流密度、支持电解质种类等。周明华等[4]以经氟树脂改性的β-PbO2为阳极，处理含酚模拟废水，在电压为7.0V，pH值为2.0的条件下，其COD可降至60mg/L以下，挥发酚可完全去除。匡少平等在隔离阴、阳极室条件下进行了电化学法降解含酚废水试验，苯酚的转化率达95%以上；同时，分别对铅电极和钛上电沉积二氧化铅的电极作为阳极进行了对比试验，发现Ti/PbO2电极对苯酚的降解更加彻底。1.2酚类三、实际应用目前，国内外对于含酚废水的研究较多351.3硝基苯类化合物三、实际应用硝基苯类化合物属于生物难降解物质，用电化学催化系统处理此类废水具有一定的意义。以DSA类电极作为阳极，对模拟硝基苯废水进行的降解试验表明，当电流密度为15mA/cm2时，CODCr的去除率可达到90%以上。谢光炎等以自制PbO2为阳极，在碱性条件(pH=10)下电解134min，硝基苯酚溶液的质量浓度从200mg/L降至1mg/L以下，BOD/COD值达到0.63，表明该工艺对后续生化处理有重要的实用价值。1.3硝基苯类化合物三、实际应用硝基苯类化合物属于生物难降362重金属三、实际应用与传统的二维电极相比，电沉积法的三维电极能够增加电解槽的面体比，且因粒子间距小而增大了物质传质速度，提高电流效率和处理效果。利用三维电极主要是处理含Cu2+和Hg2+等的重金属废水，三维电极所提供的特殊表面和很大的传质速率，能有效地处理稀溶液，这种电极能在几分钟内将金属质量浓度从100mg/L降至0.1mg/L，除去重金属离子的效率高，需要的空间少。离子交换树脂与铜粒等比例混合制成的复合三维电极固定床电化学反应器，用于处理低浓度含铜废水，且无须加入支持电解质(如硫酸)，出口铜质量浓度为0.008mg/L，达到国家排放标准。2重金属三、实际应用与传统的二维电极相比，电沉积法的三373氨氮和氰废水三、实际应用电催化氧化法去除氨氮的原理是：废水进入电解系统后，在不同条件下，阳极上可能发生两种氧化反应：一是氨直接被氧化成氮气脱除；二是氨间接电氧化。即通过电极反应生成氧化性物质，该物质再与氨反应，使氨降解、脱除。液态化电极电解法首先将含氰废水中的CN-氧化为氰酸根，再进一步氧化为CO2和H2O。由于低浓度含氰废水中的电解质浓度低，电解时极间电压高，电流效率低，故一般加入NaCl作电解质。采用液态化电极时，电极反应在膨胀石墨颗粒表面进行，废水的循环流动和膨胀石墨颗粒的频繁碰撞，使得液态石墨颗粒间的传质速度加快，浓差极化和电化学极化现象显著减小，从而加快反应的进行。3氨氮和氰废水三、实际应用电催化氧化法去除氨氮的原理是：38电化学水处理技术ElectrochemicalwatertreatmenttechnologyReporter:Group5电化学水处理技术Electroch39组员及分工水处理文献讲解：

《电化学-生物接触氧化组合技术处理除草剂废水效能研究》基础知识：电化学水处理技术概述组员及分工水处理文献讲解：

《电化学-生物接触氧化组合技术处40引言废水处理Wastewatertreatment引言废水处理Wastewatertreatment41

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?什么是电化学?什么是电化学水处理技术?电化学水处理技术的实际应用?电化学水处理技术的最新进展?

今天我们共同探讨这个话题…

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?什么是电化学?

?42绪论电化学是研究化学能和电能之间相互转化的一门学科，是物理化学的一个重要分支电化学工程是国民经济种一大支柱行业（氯碱、电镀……）电化学与环境科学相结合，形成了环境电化学或环境电化学工程的研究领域在环境监测、环境污染物治理、清洁生产、清洁能源等方面的应用研究快速发展作为难降解有机物处理方面的高级氧化技术近年来成为研究热点绪论电化学是研究化学能和电能之间相互转化的一门学科，是物理化43发展历史1799年Valta的Cu-Zn原电池是世界上第一个将化学能转化为电能的化学电源1833年建立电流和化学反应关系的法拉第定律19世纪70年代Helmholtz提出双电层概念1887年Arrhenius提出电离学说1889年Nernst提出电极电位与电极反应组分浓度关系的能斯特方程1905年提出Tafel公式，揭示电流密度和氢过电位之间的关系20世纪50年代Bochris等发展的电极过程动力学近几十年半导体电极过程特性研究和量子理论解释溶液界面电子转移等研究发展历史1799年Valta的Cu-Zn原电池是世界上第一个44BasicconceptionofelectrochemistryBasicconceptionofelectroche45一、电化学基本概念研究对象电化学用途两类导体正极、负极阴极、阳极原电池电解池一、电化学基本概念研究对象电化学用途两类导体正极、负极阴极、46

1、电化学研究对象电化学主要是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关规律的科学。电能

化学能电解电池一、电化学基本概念1、电化学研究对象电化学主要是研究电472、电化学的用途⒈电解精炼和冶炼有色金属和稀有金属； 电解法制备化工原料； 电镀法保护和美化金属； 还有氧化着色等。⒉电池汽车、宇宙飞船、照明、通讯、生化和医学等方面都要用不同类型的化学电源。⒊电分析 ⒋生物电化学一、电化学基本概念2、电化学的用途⒈电解精炼和冶炼有色金属和稀有金属；⒉电池483、两类导体A.自由电子作定向移动而导电B.导电过程中导体本身不发生变化C.温度升高，电阻也升高D.导电总量全部由电子承担又称电子导体，如金属、石墨等。第一类导体一、电化学基本概念A.正、负离子作反向移动而导电B.导电过程中有化学反应发生C.温度升高，电阻下降D.导电总量分别由正、负离子分担第二类导体又称离子导体，如电解质溶液、熔融电解质等。3、两类导体A.自由电子作定向移动而导电B.导电过程中导体本494、电极一、电化学基本概念4、电极一、电化学基本概念50阴极、阳极：按照电荷的流动方向分电极一、电化学基本概念阴极、阳极：按照电荷的流动方向分电极一、电化学基本概念51按照电化学体系中的作用分电极工作电极(workingelectrode）辅助电极（counterelectrode)参比电极（referenceelectrode)一、电化学基本概念按照电化学体系中的作用分电极工作电极(working52工作电极研究的电极反应在该电极上发生工作电极的基本要求：电极与溶剂和电解质组分不发生化学或物理反应研究的电化学反应不受电极变化的影响电极表面均匀、平滑、容易进行表面净化电极面积不宜太大

电极种类

石墨、玻碳、铂、镍、铅基合金、钛基涂层（RuO2、IrO2)电极电极一、电化学基本概念工作电极研究的电极反应在该电极上发生电极一、电化学基本概53辅助电极与工作电极组成回路，使工作电极电流通畅，保证电极反应进行辅助电极基本要求：

不影响工作电极上的电极反应；要求有较大的表面积，使工作电极上具有较大的电流密度；辅助电极本身电阻小电极一、电化学基本概念辅助电极与工作电极组成回路，使工作电极电流通畅，保证电极反应54参比电极已知电极电位、接近理论不极化的电极，用于测定工作电极的电极电位参比电极的基本要求：

可逆电极，电极电位符合能斯特方程；具有较大的交换电流密度；电极电位稳定、重现；甘汞电极、标准氢电极等电极一、电化学基本概念参比电极已知电极电位、接近理论不极化的电极，用于测定工作电极555、离子迁移方向离子迁移方向：阴离子迁向阳极阳离子迁向阴极一、电化学基本概念5、离子迁移方向离子迁移方向：阴离子迁向阳极阳离子迁向阴极一566、原电池与电解池原电池

(galvaniccell)一、电化学基本概念6、原电池与电解池原电池

(galvaniccell)一、576、原电池与电解池电解池(electrolyticcell)一、电化学基本概念6、原电池与电解池电解池(electrolyticcell58二、电化学水处理技术电化学水处理技术是指在外加电场的作用下，在特定的电化学反应器内，通过一定的化学反应、电化学过程或物理过程，对废水中的污染物进行降解的过程。1、定义二、电化学水处理技术电化学水处理技术是指在外加电场的作用下，59二、电化学水处理技术2、基本原理原理直接电解间接电解阳极过程：有机物氧化阴极过程：卤代烃、重金属可逆过程：金属氧化物高低价态转化不可逆过程：产生的强氧化性物质或自由基二、电化学水处理技术2、基本原理原理直接电解间接电解阳极过程60

1、

环境兼容性高电化学技术中使用清洁、有效的电子作为强氧化还原试剂,

是一种基本对环境无污染的“绿色”生产技术。2、多功能性电化学过程具有直接或间接氧化与还原、相分离、浓缩与稀释、生物杀伤等功能，能处理到1

×10-6L的气、液体和固体污染物。3、能量高利用率与其他一些过程相比,

电化学过程可在较低温度下进行。它不受卡诺循环的限制，能量利用率高。通过控制电位、合理设计电极与电解池，减小能量损失。4、经济实用设备、操作简单,

费用低。二、电化学水处理技术3、电化学技术的优点

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环境兼容性高电化学技术中使用清洁、有效的电子作为61电化学氧化电化学还原电吸附电凝聚电渗析4、主要技术二、电化学水处理技术电化学氧化4、主要技术二、电化学水处理技术62直接氧化

使有机物或还原性无机物氧化为无害物质，对于难降解有毒有机物转化有意义间接氧化阳极反应产生有强氧化作用的中间产物，使污染物被氧化为无害物质利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，或阳极反应产物（Cl2、ClO－、O2）间接的氧化作用，降解消除水中的氰、酚以及COD、S2－等污染物。4.1电化学氧化（阳极过程）二、电化学水处理技术直接氧化利用不溶性阳极的直接电解氧化作用，或阳极反应产物（C63利用不锈钢阴极或Ti基镀Pt电极的授予电子能力，相当于还原剂使用Cr6＋、Hg2＋等重金属离子直接得到电子还原沉积出来。4.2电化学还原（阴极过程）溶解性金属离子的回收和重金属污染物的去除

金属离子的电沉积高氧化态离子还原为低氧化态（六价铬变为三价铬）

含氯有机物还原脱氯，转化为低毒或无毒物质，提高生物可降解性

R-Cl+H+eR-H+Cl二、电化学水处理技术利用不锈钢阴极或Ti基镀Pt电极的授予电子能力，相当于还原剂644.3

电吸附采用大比表面积的吸附性电极分离水中低浓度的有机物

如将β-萘酚吸附到玻璃纤维球填充床电极上二、电化学水处理技术4.3电吸附采用大比表面积的吸附性电极二、电化学水处理技术65电气浮通过电解水产生的氢、氧气体，携带废水中的胶体微粒，共同上浮，从而达到分离、净化的目的。二、电化学水处理技术4.4电凝聚和电浮选电气浮二、电化学水处理技术4.4电凝聚和电浮选66从水相中分离悬浮物、胶体颗粒、油状物等化学法：加入浮选剂或絮凝剂气体浮选：通高压气体，颗粒物上浮电化学方法：电化学产生气泡，达到浮选目的电化学产生絮凝剂（氢氧化铁、氢氧化铝等）4.4电凝聚和电浮选二、电化学水处理技术从水相中分离悬浮物、胶体颗粒、油状物等4.4电凝聚和电浮选二67在外加直流电场的作用下，利用阴阳离子交换膜对水中离子选择透过性，阳离子透过阳膜迁移到阴极液中，阴离子透过阴膜迁移到阳极液中，从而达到浓缩、纯化和分离的目的。

在电场作用下，离子选择性通过膜，从一个溶液进入另一种溶液，实现离子化污染物的分离、浓缩。4.5电渗析二、电化学水处理技术4.5电渗析二、电化学水处理技术68二、电化学水处理技术4.5电渗析二、电化学水处理技术4.5电渗析691.有机废水的电化学处理有机物电化学氧化的优点

常温常压条件不（少）引入其它化学物质有机物电化学氧化的类型有机物完全氧化分解为二氧化碳和水（电化学燃烧）——需要大量电子、能耗高将难降解有机物转化为可生物降解物质，然后用生化法处理（电化学转化）

三、实际应用1.有机废水的电化学处理有机物电化学氧化的优点三、实际应用70有机物电化学氧化的原理三、实际应用有机物电化学氧化的原理三、实际应用711.1持久性有机污染物电化学氧化技术借助具有电催化活性的阳极材料，能形成氧化能力极强的羟基自由基(-OH)，既能使持久性有机污染物发生分解并转化为无毒可生化降解物质，又可将之完全矿化为二氧化碳或碳酸盐等物质。该项技术应用于持久性有机污染物废水处理，不仅可弥补其他常规处理工艺的不足，还可与多种处理工艺有机结合，提高水处理的经济性。电化学氧化过程中，具有电活性的阳极表面能起到吸附、催化、氧化等多种转化功能。低浓度的持久性有机污染物废水电导率很低，为了增强溶液导电性需要加入强电解质(如氯化钠、硫酸钠)。三、实际应用1.1持久性有机污染物电化学氧化技术借助具有电催化活性的721.2酚类三、实际应用目前，国内外对于含酚废水的研究较多，此类废水来源广、污染重，是