光伏驱动电絮凝反应器处理废水探究

摘要：对电絮凝水处理方法的原理进行了分析，并总结了太阳能光伏发电的特点。综述了太阳能光伏发电驱动电絮凝反应器处理废水的研究，并指出了今后光伏驱动电絮凝反应器的研究方向。

关键词：光伏发电；电化学反应器；电絮凝；废水处理

水是人们生产生活中不可或缺的重要资源，但目前由于城市污水的排放、垃圾填埋、农业面源、采矿、炼油及工业废水的排放，水资源已造成了严重的污染。主要污染物包括有机物、重金属离子、氯离子、硝酸盐及硫酸盐等。大量的新兴水环境污染物的出现，对目前的给水及排水处理技术提出了更高的要求。饮用水的常规处理方法包括混合、絮凝、沉淀、过滤等单元，可以有效去除水中的悬浮物和胶体[1-2]。污、废水的处理方法有物理方法、化学方法及生物处理方法等，可有效去除水中的有机物及重金属[3]。上述方法有的会有副产物产生，造成水的二次污染，还有的能源消耗较高[4]。近几十年来，电化学水处理方法受到了人们的高度重视。电化学水处理方法的优势是效率高，能转化为清洁能源，避免挥发性污染物的产生，设备可一体化，容易操作[5]。电化学水处理方法包括电絮凝，电极氧化还原等，其中电絮凝处理各种废水受到了广泛的研究[6]。但电絮凝水处理技术耗能比较高，可利用太阳能光伏发电，将光伏引入到电絮凝系统，能够降低能耗，因此光伏电絮凝技术有着良好的应用前景[7]。本文对光伏驱动电絮凝反应器处理废水的研究现状进行综述，并指出了今后的研究发展方向。

1电絮凝水处理原理

电絮凝，也叫电凝聚，是一种集混凝、气浮、电化学作用于一体的电化学水处理方法[8]。电絮凝通常利用铁、铝等可溶金属作为阳极，惰性电极作为阴极，电极通电后，阳极能够溶解产生相应的离子。离子在水中发生化学反应生成絮凝剂，发挥净水中作用。铁阳极通以直流电后，阳极的Fe溶解，失去电子，变成Fe2+或Fe3+，在水中反应可生成Fe(OH)2或Fe(OH)3。阳极铝可变成Al3+则生成Al(OH)3。Fe(OH)2，Fe(OH)3及Al(OH)3均可作为混凝剂，破坏水中胶体的双电层的结构，使胶体颗粒脱稳，再辅以沉淀过程，使胶体颗粒沉淀，实现泥水分离[9]。另外氧气会在阳极上产生，氢气在阴极析出。阴、阳极气泡可以和水中的污染物一起上浮，将污染物带到水面而分离。铁、铝电极通电后发生的电化学反应见式（1）-（10）[10-13]。电絮凝反应不需要填加化学混凝剂，因而是一种环境友好的水处理方法。通过改变电解电压或电流密度就可改变电絮凝的运行参数，易于对电絮凝池进行自动控制。电絮凝法在一些高浓度有机废水，如印染、纺织、焦化等工业废水的处理中有较多的研究应用[14]。铝电极阳极反应：

2太阳能发电

电絮凝方法在废水处理中的应用会导致电力消耗和后续处理成本的增加，因为电流密度是电化学方法的重要影响因素之一。这促使研究人员寻找有效的可再生能源取代传统的电能。传统的煤炭、石油、天然气和核能将增加二氧化碳排放量，会导致全球变暖。可再生能源有地热、太阳能、风能、潮汐能、生物质能和水力。其中太阳能是一种有吸引力的可再生能源。太阳能资源丰富，免费提供、可持续、无温室气体和有毒气体，它允许立即传输电力以及存储。将太阳光的辐射能转化为电能的发电技术，称为光伏发电。光伏发电利用的是半导体PN结的光生伏特效应。当太阳光照射在PN结上，除了部分光被反射，另一部分能量中的光子将半导的电子激发，形成电子-空穴对[15]。在电场的作用下，空穴由N区流向区极，电子向反方向流动，这样就形成了电流[15]。将太阳能电池板辐射的能量直接转换成电能的发电装置称光伏发电装置，它由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直交流逆变器、直流负载与交流负载等组成[16]。

3光伏驱动电絮凝反应器的研究

Jawad等[17]设计了10mm×110mm×200mm的矩形反应器，利用四块铁孔板电极，在21W太阳能电池的驱动下，降解了酸性橙2染料合成废水（10～30mg·L-1），其结论是更高的电流密度和更小的电极间距有利于提高染料的去除率。并且当pH=7，电流密度=2mA·cm-2，极板间距=5mm，t=40min时，酸性橙2达到100%去除率。Pirkarami等[18]在太阳能电池供电的条件下，利用1L的玻璃反应器，比较了多种阳极（铁、铝、铁铝组合、钛电极）对酸性橙2合成废水，活性蓝19合成废水，实际的纺织废水的电絮凝处理性能。实验得出的最佳条件为电极间距10mm，铁电极，电流密度45A·m-2，温度25℃,pH=7,污染物15mg·L-1。Naje等[19]利用旋转型铝阳极也对纺织废水的光伏电絮凝效果进行了研究。在电流密度4mA·cm-2,反应时间10min,pH=4.57时，装置对COD、BOD、TSS、浊度和色度的去除率分别为97.10%，95.55%，98%，96%和98.50%。电极消耗为0.038kg·m-3，能耗为4.66kWh·m-3，操作费为0.44美元·m-3。Elkacmi等[20]制作了1个10L的透明有机玻璃反应器，由两个平行的圆柱形部分、一个内径为75mm的提升管和一个内径为44mm的下降管组成。配置了铝阳极，其光伏模块表面积为1.48m2，功率为230W，短路电流为8.61A，开路电压为33.32V。对橄榄厂废水进行电絮凝反应的结果是当初始pH值为5.6，电流密度32.14mA·cm-2，t=40min，COD去除率79.24%，多酚去除率94.82%，色度去除率为97.87%。电极溶解量0.1118kg·m-3，比能耗9.86kWh·m-3，运营成本0.2美元·m3。García-García等[21]采用光伏电絮凝-电氧化联合工艺处理工业园区的废水，铜用于阳极和阴极，反应器0.125L，光伏电池提供1~3A的电流强度，225W的功率。结果表明联合工艺的TOC去除率70.26%，COD去除率99.7%，色度去除率100%。Dermentzis等[22]利于表面积为1.63m2的单晶硅板发电，峰值功率327W，电能供应于电絮凝反应器。反应器为400mL的圆柱形玻璃池，内置10cm×5cm×0.2cm的3块铁板，极间距离为0.5cm。对电极施加20mA·cm-2的电流密度后，电镀废水中铬去除率超过99%，相应的电能消耗为8.4kW·m-3水。Hussin等[23]利用穿孔锌电极（7cm×5cm)，在极板间距为的1cm的条件下在1L硼硅玻璃烧杯发生电絮凝反应，对铅离子的去除率为99.9%。此实验采用的是多晶硅电池供电，电流密度为1.13mA·cm-2。Apshankar等[24]利用2块14.5cm×2.5cm×0.1cm的低碳钢电极，在电极间距2cm条件下处理饮用水的硝酸盐（95.53mg·L-1），其太阳能电池为17V，5W，没有电压控制装置。初始pH值10.8，通电时间3h，取得最大去除效率53%。Sharma等[25]利用两个铝电极（17cm×9cm×0.2cm)处理浊度15～20NTU，TOC=5.5mg·L-1，UV（254nm）吸光度=0.15，电导率=0.0805的高岭土与腐殖酸配水。配置了65W单晶硅光伏面板(1210mm×540mm×28mm)及电压控制器。在没有充电控制系统的情况下最高浊度去除率为87%，最高紫外线吸光度去除率为85%。在有充电控制系统的情况下最大浊度和紫外吸光度去除率分别为90%和95%。Zhang等[26]将铝电极（150mm×120mm×45mm）置于反应器内（150mm×120mm×45mm），以30W光伏太阳能组件供电，其短路电流为1.93A，开路电压为21.6V。在电极间隙25mm，电导率范围为765～135μS·cm-1时，处理自景观水的中的磷,TP去除效率的预测值为97.77%，去TP需要的能量为0.71kWh·m-3。从以上实验来分析，电絮凝反应器采有光伏供电的比较多，常用的反应器为矩形，还有一些利用玻璃烧杯作为反应器，处理的水量仅限于实验室的小型水量，如1～5L。所使用的电极材料包括铁板，铝板，铁铝组合，钛，低碳钢，铜，锌及不锈钢电极等。电极形式有板状，棒状，还有可旋转的筒式电极。电絮凝所需电量采用单晶硅光伏面板发电，利用太阳能电池进行贮存电量。在实验过程中有的实验配制电压控制器，控制电压的输出，而有的实验没有电压控制装置。电絮凝反应及电化学氧化还原反应的影响因素包括电流密度，电压，电极间距，溶液的pH等因素，不同类型的废水的最佳反应条件显示了一定的差异。但是总的来说，提高的电流密度，缩小的电极间距有利于污染物的去除。有些研究也对电解的溶解量进行的计算，另外能耗及操作费也是影响电絮凝应用的因素，对它们的评价也显得尤为重要。目前利用光伏供电带动电化学反应器的研究还处于实验室阶段，有的是对实验室模拟配水进行电化学处理，也有的处理实际的废水，但水量还是较小，今后需提高水量，扩大设备容积，优化中试研究。另外太阳能发电系统的性能优化也需要加以考虑。如晴天、阴天的发电量，电池能量的控制等都需要实际的测试。但从电化学反应的能耗及易于设备化，易于自控制管理的角度来讲，光伏供电化学反应器在农村分散污水的处理，小型工业废水的处理方面有良好的应用前景。

4结论与展望

电絮凝工艺由于设备简单，易于自动化管理等优点，在废水处理中的应用已经有了较好的研究基础，但由于电能的消耗，水处理成本较高。将电絮凝技术与先进的光伏发电技术相结合，优化重要的设计参数，从这种组合技术中获得最高效率，从而将整个过程的成本降至最低。光伏电絮凝技术目前还限于实验室研究阶段，反应器的设计，电极材料与形式的优化，光伏系统的优化配置，将是今后重点研究的方向。光伏电絮凝在阳光充足地域的农村分散废水的处理及小型工业废水的处理方面有着良好的应用前景。

作者:赵显峰 单位:深圳市精鼎建筑工程咨询有限公司