光伏驅動電絮凝反應器處理廢水探究

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摘要：對電絮凝水處理方法的原理進行了分析，并總結了太陽能光伏發(fā)電的特點。綜述了太陽能光伏發(fā)電驅動電絮凝反應器處理廢水的研究，并指出了今后光伏驅動電絮凝反應器的研究方向。

關鍵詞：光伏發(fā)電；電化學反應器；電絮凝；廢水處理

水是人們生產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，水資源已造成了嚴重的污染。主要污染物包括有機物、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，對目前的給水及排水處理技術提出了更高的要求。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、化學方法及生物處理方法等，可有效去除水中的有機物及重金屬[3]。上述方法有的會有副產物產生，造成水的二次污染，還有的能源消耗較高[4]。近幾十年來，電化學水處理方法受到了人們的高度重視。電化學水處理方法的優(yōu)勢是效率高，能轉化為清潔能源，避免揮發(fā)性污染物的產生，設備可一體化，容易操作[5]。電化學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耗能比較高，可利用太陽能光伏發(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有著良好的應用前景[7]。本文對光伏驅動電絮凝反應器處理廢水的研究現狀進行綜述，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、電化學作用于一體的電化學水處理方法[8]。電絮凝通常利用鐵、鋁等可溶金屬作為陽極，惰性電極作為陰極，電極通電后，陽極能夠溶解產生相應的離子。離子在水中發(fā)生化學反應生成絮凝劑，發(fā)揮凈水中作用。鐵陽極通以直流電后，陽極的Fe溶解，失去電子，變成Fe2+或Fe3+，在水中反應可生成Fe(OH)2或Fe(OH)3。陽極鋁可變成Al3+則生成Al(OH)3。Fe(OH)2，Fe(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構，使膠體顆粒脫穩(wěn)，再輔以沉淀過程，使膠體顆粒沉淀，實現泥水分離[9]。另外氧氣會在陽極上產生，氫氣在陰極析出。陰、陽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)生的電化學反應見式（1）-（10）[10-13]。電絮凝反應不需要填加化學混凝劑，因而是一種環(huán)境友好的水處理方法。通過改變電解電壓或電流密度就可改變電絮凝的運行參數，易于對電絮凝池進行自動控制。電絮凝法在一些高濃度有機廢水，如印染、紡織、焦化等工業(yè)廢水的處理中有較多的研究應用[14]。鋁電極陽極反應：

2太陽能發(fā)電

電絮凝方法在廢水處理中的應用會導致電力消耗和后續(xù)處理成本的增加，因為電流密度是電化學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，會導致全球變暖?？稍偕茉从械責?、太陽能、風能、潮汐能、生物質能和水力。其中太陽能是一種有吸引力的可再生能源。太陽能資源豐富，免費提供、可持續(xù)、無溫室氣體和有毒氣體，它允許立即傳輸電力以及存儲。將太陽光的輻射能轉化為電能的發(fā)電技術，稱為光伏發(fā)電。光伏發(fā)電利用的是半導體PN結的光生伏特效應。當太陽光照射在PN結上，除了部分光被反射，另一部分能量中的光子將半導的電子激發(fā)，形成電子-空穴對[15]。在電場的作用下，空穴由N區(qū)流向區(qū)極，電子向反方向流動，這樣就形成了電流[15]。將太陽能電池板輻射的能量直接轉換成電能的發(fā)電裝置稱光伏發(fā)電裝置，它由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直交流逆變器、直流負載與交流負載等組成[16]。

3光伏驅動電絮凝反應器的研究

Jawad等[17]設計了10mm×110mm×200mm的矩形反應器，利用四塊鐵孔板電極，在21W太陽能電池的驅動下，降解了酸性橙2染料合成廢水（10～30mg·L-1），其結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pH=7，電流密度=2mA·cm-2，極板間距=5mm，t=40min時，酸性橙2達到100%去除率。Pirkarami等[18]在太陽能電池供電的條件下，利用1L的玻璃反應器，比較了多種陽極（鐵、鋁、鐵鋁組合、鈦電極）對酸性橙2合成廢水，活性藍19合成廢水，實際的紡織廢水的電絮凝處理性能。實驗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]利用旋轉型鋁陽極也對紡織廢水的光伏電絮凝效果進行了研究。在電流密度4mA·cm-2,反應時間10min,pH=4.57時，裝置對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，操作費為0.44美元·m-3。Elkacmi等[20]制作了1個10L的透明有機玻璃反應器，由兩個平行的圓柱形部分、一個內徑為75mm的提升管和一個內徑為44mm的下降管組成。配置了鋁陽極，其光伏模塊表面積為1.48m2，功率為230W，短路電流為8.61A，開路電壓為33.32V。對橄欖廠廢水進行電絮凝反應的結果是當初始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，運營成本0.2美元·m3。García-García等[21]采用光伏電絮凝-電氧化聯合工藝處理工業(yè)園區(qū)的廢水，銅用于陽極和陰極，反應器0.125L，光伏電池提供1~3A的電流強度，225W的功率。結果表明聯合工藝的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，電能供應于電絮凝反應器。反應器為400mL的圓柱形玻璃池，內置10cm×5cm×0.2cm的3塊鐵板，極間距離為0.5cm。對電極施加20mA·cm-2的電流密度后，電鍍廢水中鉻去除率超過99%，相應的電能消耗為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，對鉛離子的去除率為99.9%。此實驗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），其太陽能電池為17V，5W，沒有電壓控制裝置。初始pH值10.8，通電時間3h，取得最大去除效率53%。Sharma等[25]利用兩個鋁電極（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）置于反應器內（150mm×120mm×45mm），以30W光伏太陽能組件供電，其短路電流為1.93A，開路電壓為21.6V。在電極間隙25mm，電導率范圍為765～135μS·cm-1時，處理自景觀水的中的磷,TP去除效率的預測值為97.77%，去TP需要的能量為0.71kWh·m-3。從以上實驗來分析，電絮凝反應器采有光伏供電的比較多，常用的反應器為矩形，還有一些利用玻璃燒杯作為反應器，處理的水量僅限于實驗室的小型水量，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，利用太陽能電池進行貯存電量。在實驗過程中有的實驗配制電壓控制器，控制電壓的輸出，而有的實驗沒有電壓控制裝置。電絮凝反應及電化學氧化還原反應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條件顯示了一定的差異。但是總的來說，提高的電流密度，縮小的電極間距有利于污染物的去除。有些研究也對電解的溶解量進行的計算，另外能耗及操作費也是影響電絮凝應用的因素，對它們的評價也顯得尤為重要。目前利用光伏供電帶動電化學反應器的研究還處于實驗室階段，有的是對實驗室模擬配水進行電化學處理，也有的處理實際的廢水，但水量還是較小，今后需提高水量，擴大設備容積，優(yōu)化中試研究。另外太陽能發(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際的測試。但從電化學反應的能耗及易于設備化，易于自控制管理的角度來講，光伏供電化學反應器在農村分散污水的處理，小型工業(yè)廢水的處理方面有良好的應用前景。

4結論與展望

電絮凝工藝由于設備簡單，易于自動化管理等優(yōu)點，在廢水處理中的應用已經有了較好的研究基礎，但由于電能的消耗，水處理成本較高。將電絮凝技術與先進的光伏發(fā)電技術相結合，優(yōu)化重要的設計參數，從這種組合技術中獲得最高效率，從而將整個過程的成本降至最低。光伏電絮凝技術目前還限于實驗室研究階段，反應器的設計，電極材料與形式的優(yōu)化，光伏系統(tǒng)的優(yōu)化配置，將是今后重點研究的方向。光伏電絮凝在陽光充足地域的農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