活性炭纤维电极在水处理中的应用及进展

活性炭纤维应用

第23卷　第18期中国给水排水Vol.23No.18

2007年9月CHINAWATER&WASTEWATERSep.2007

活性炭纤维电极在水处理中的应用及进展

叶德宁,　应迪文,　贾金平

(上海交通大学环境科学与工程学院,上海200240)

摘　要:　活性炭纤维(ACF)由于其自身特性而成为良好的电极材料,介绍了ACF电极在处理水体中难降解有机物、,同时说明了ACF电极自身改进技术的原理和应用,及Pd等。研究表明,ACF,是一种高效、安全的水处理技术。　　关键词:　活性炭纤维电极;　中图分类号:X703.1::1000-4602(2007)18-0020-04

ProgressofActivatedCarbonFiberElectrode

inWaterTreatment

YEDe2ning,　YINGDi2wen,　JIAJin2ping

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai

200240,China)

Abstract:　Theactivatedcarbonfiber(ACF)isagoodelectrodematerialduetoitsowncharacte2ristics.ThemechanismsandeffectsofACFelectrodewereintroducedintheaspectsoftreatmentofre2fractoryorganicsinwater,synchronousenhancedautotrophicdenitrificationandotheradvancedtreat2ment.Theprincipleandapplicationofself2modifiedtechnologyofACFelectrodeweredescribed,inclu2dingadditionofSnorPdhavingelectrochemicalcatalyticabilityandsoon.Thestudyshowsthatasanewadvancedoxidationtechnology,ACFelectrodeisahigheffectiveandsafewatertreatmenttechnologywhichcansupplyagapoftraditionalbiologicaltreatmenttechnology.

Keywords:　activatedcarbonfiberelectrode;　refractoryorganics;　autotrophicdenitrification　　活性炭纤维(ACF)是一种吸附能力很强的新型材料,具有比表面积大、吸附性能强、耐酸碱腐蚀、导电性能良好、电化学特性稳定等特点,适于用作电解反应器的电极。

1　对水中难降解有机物的去除111　在电化学氧化工艺上的应用

ACF电极可将污染物吸附在电极周围,提高处

理效率,适于有机物浓度较低的废水处理,且处理效果不受水中污染物浓度变化的影响。王爱民等采用ACF电极处理含有少量微囊藻毒素(MCRR和MCLR)的废水,采用缚在钛网表面的活性炭纤维毡

作为阴极,在pH值为2.0～3.5、电流密度为6.6

2

mA/cm的条件下处理60min,对浓度为8.81mg/L的MCRR去除率为75%,对浓度为6.36mg/L的

[1]

MCLR去除率为94%,同时发现其原理主要是阴极电芬顿过程。曲久辉等采用ACF电极作为阴极对偶氮染料酸性红14进行降解,在电流为0.36A、pH值为3的条件下对550mL废水电解处理6h,对TOC的去除率>70%,远远高于普通活性炭作为电

[2]

极阴极对TOC的去除率(40%),分析认为这是由于比表面积较大的ACF电极生成的H2O2效率更高,同时有机物被吸附浓缩在活性炭纤维表面,提高

活性炭纤维应用

叶德宁,等:活性炭纤维电极在水处理中的应用及进展第23卷　第18期

了羟基自由基的氧化效率。贾金平等使用ACF电极电解反应器处理印染废水,发现电解效果受电解电压、溶液pH、电解质浓度的影响较大,在处理水量为1L、电极板间距为4cm、电解电压为25V的条件下投加适量的硫酸钠为电解质,可实现90%以上的平均脱色率以及80%的COD去除率。与对照试验相比,对COD和色度的实际去除率超过了直接投

[3]

加Fenton试剂的去除率。

曲久辉等对比了ACF作为阳极和阴极处理水中偶氮染料酸性红B(AcidRedB,ARB)的电化学降解情况,两种体系均对ARB具有不同程度的降解,但作用机理不同。经对比,ACF作为阳极时形成的氧化能力远低于其作为阴极时形成的电芬顿体系的处理能力,这主要是由于ACF析氧过电位较低,在阳极生成羟基自由基的效率很低所致。

ACF叶建昌等将ACF2

理草浆造纸黑液,mA/m的情况下处理70min,对。使用ACF作为电极的另一个优

势就是可以根据具体应用要求对电极进行改造,申哲民等利用三维活性炭纤维电极处理染料废水,采用体积电流密度为0.14A/L的电解条件,结果表明ACF三维电极法对各类染料的脱色率都很高,对还64.25%和94%

[5]

[4]

一步提高ACF电极的处理效率。113　作用机理

由于ACF电极具有较强的吸附能力,在处理水体中难降解有机物时会存在吸附、絮凝、沉淀的过程。杨骥等采用ACF电极电解处理淮河水样,其试

2

验装置的电极面积为400mm,间距为4cm,处理1L初始TOC浓度为87.6mg/L的水样100min,结果表明对水中褐菌素(FA)的去除率>80%。机理主要是基于ACF巨大的比表面积和良好的吸附性能,使FA有机分子首先吸附、聚集于ACF电极表面,随

[12]

后经解吸附、。

ACF,其次是有机分子,,最终经絮凝。这说明在使用ACF电极的电化学去除过程中存在着自由基氧化和絮凝的共同作用,但由于有机物浓度较高,自由基化的有机分子发生絮凝沉淀

[13]

的过程先于继续氧化分解过程。

对生物除磷脱氮的强化效果2　

211　强化脱氮

1992年Mellor等提出电极—生物反应器(电生物反应器),将电化学反应与传统生物脱氮工艺结

合,由电极电解水产生H2为自养反硝化菌提供电子供体,提高了反硝化效率,强化了脱氮效果。1994年Sakakibara等将反硝化细菌固定在阴极表

-面,对地面水及饮用水中的低浓度NO3进行处理,取得了很好效果。张乐华等将电化学方法与传统生物滤池结合,对城市污水进行脱氮处理也取得优异

[16]

效果,这表明ACF电极由于有巨大的比表面积和生物易附着等优点,其强化脱氮效果显著。

曲久辉等利用ACF电极电生物反应器去除地下水中的硝酸盐氮,试验装置见图1。

研究结果证明,由阴极产生的氢气作为自养反

-硝化的电子供体时,对水中NO3-N有良好的去除效果。当原水中的NO3-N浓度为28.8mg/L时,在反应器的最佳电流强度为9mA、最大水力负荷为

-35mL/h的条件下,对NO3-N的去除率接近100%,且反应器对pH值的变化具有较好的缓冲能[17]

力。试验中还发现电流强度超过最佳工作电流后会导致氢气过量而影响反硝化效果,即存在氢抑现象;此外阳极还会出现炭电极溶解,引起溶液中无

-[14、15]

原染料、直接染料的总有机碳去除效果较显著,且

[6]

能耗明显降低。112　在电化学还原工艺上的应用

电化学还原技术通常在阴极进行典型的有机物脱氯反应等。电还原反应的途径与上述氧化反应不同,对于确切的电还原途径存在多种观点。国内科研人员使用掺钯的ACF电极电解含五氯苯酚的废水,利用电解破坏五氯苯酚中碳氯之间的化学键,对五氯苯酚进行脱氯生成苯酚。试验结果表明,

2

在电流密度为25mA/m的条件下通电200min,对五氯苯酚的去除率达到94.7%,克服了传统电化学脱氯方法不能对水溶液高效脱氯以及采用铅电极

[10]

或汞电极可能对环境造成二次污染的缺点。申哲民等通过对比含29种染料的废水处理结果发现,虽然各种染料都可以通过活性炭纤维电极得到有效去除,但其微观的化学键断裂的机理却因染料的结

[11]

构不同而存在差异。今后可以针对活性炭纤维电极反应体系分解染料的具体机理展开研究,以进

[9]

[7、8]

活性炭纤维应用

第23卷　第18期　　　　　　　　　　　　　　中国给水排水　　　　　　　　　　　　

机炭含量的增加

。

Sn/Pb的活性炭纤维电极,将其用于处理含硝酸盐

的饮用水原水,在电流密度为1.11mA/cm、溶液容

积为400mL、Sn/Pd为4∶1的条件下电解240min,

-可使NO3含量由110mg/L降到3.4mg/L。试验过程中Sn始终以氧化的形式附着在电极上,而Pd在试验初期以金属单质形态存在,后期则部分被氧化。结果还表明,电极的反硝化能力与电极中Sn含

[21]

量以及装置运行时溶液的pH值密切相关。这是由于在不同pH值条件下金属表面覆盖物会发生变化,影响金属与溶液的接触,进而影响催化效[22]2+

果。溶液中其他离子(如等)也会影响电极

2+

中Sn,会发生沉淀并覆盖ACF电极强化生物法除磷,将电,通过电解刺激微生物的吸、放磷能力,使其吸磷能力增强,从而提高除磷效果。试验用水为模拟城市污水成分配制的废水,COD为500mg/L,总磷约7mg/L,反应器容积为2.5L,电

2

图1　电生物脱氮反应器

Fig.1　Schematicdiagramofbio2electrochemical

denitrificationreactor

应迪文等尝试采用固定反硝化菌的ACF处理

城市污水中的硝酸盐氮,试验装置见图2

。

图2　富集及固定反硝化菌反应器

Fig.2　Schematicdiagramofbio2electrochemicalreactorwithimmobilizeddenitrifyingbacteria

研究发现,该体系中反硝化菌利用电极电解析

出的氢进行反硝化脱氮,反硝化菌的反硝化过程又促进了ACF电极的析氢速率,随着电流密度的增大脱氮率不断提高,反硝化能力增强。应迪文等还提

[18]

出用表观交换电流密度来表征反应速度的变化,为下一步的深入研究提供了很好的监测方法。212　掺入催化活性金属元素(Sn/Pb)

Shimazu等的研究结果表明,掺入Sn的Pt及

流强度为20mA,运行工况:厌氧1.5h,好氧4.5h,

且只在厌氧阶段内通电电解。结果表明,通电反应器比单纯投加铁盐的反应器除磷率高9.8%左右,

[23]

除磷率最高可达95.4%。214　其他应用

20世纪90年代中期,Matsunaga等将活性炭纤维电极用于饮用水的灭菌处理,水中细菌可以被ACF吸附,并在0.8V的电压下被灭活,结果表明该工艺可显著抑制细菌繁殖,将细菌总数控制在规定范围内。

彭卫华等用ACF电极对烟气在水溶液中进行了吸附氧化脱硫试验,结果表明,ACF电极具有良好的吸附性和导电性,脱硫率达95%,且有较快的

[25]

吸附速度。

3　结论

[24]

。Roberta等

的研究结果证实SnOx对硝酸盐氮的催化还原有着Pd电极有着极佳的电化学催化活性

[20]

[19]

ACF电极电解工艺作为一种新型的高级氧化

显著的促进作用,利用Sn/Pb在脱氮过程中的高活性,将其加入活性炭纤维后脱氮效果明显改进,这是由于ACF有巨大的比表面积和高吸附性,可使Sn及Pd均匀地分布在其表面,提高催化效率。

2+

曲久辉等将ACF浸泡在SnCl2溶液中使Sn附着在纤维表面,通过添加不同质量的Pd制成含

技术,可以有效地处理废水中难生物降解有机物(如染料、腐殖酸等),弥补传统生物工艺的不足,且该工艺对环境友好,处理过程中无需再添加其他化学物质,是一种高效、安全的水处理技术。目前ACF作为电极材料还处于探索阶段,尚存在未大规

模应用、对反硝化机理仍无统一的解释等缺点。此外如何对ACF材料进行改性以提高其导电性和抗

活性炭纤维应用

叶德宁,等:活性炭纤维电极在水处理中的应用及进展第23卷　第18期

氧化性等问题,需要进一步加强应用探索以及机理研究。随着一些能有效提高活性炭材质抗氧化能力及其他性能的新型活性炭改性制备技术的不断发展,ACF电极材料在水处理工艺领域将有广阔的应用前景。参考文献:

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E-mail:iamjacky@

收稿日期:2007-04-12

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8zs1.html