Са убрзаном индустријализацијом, висока-концентрација, непослушна отпадна вода која се испушта из индустрија као што су бојење, фармацеутски производи и хемикалије постала је кључни проблем загађења животне средине. Традиционалне методе биолошког третмана су неефикасне за високо токсичне и хроматске отпадне воде, док се напредне технологије оксидације суочавају са уским грлом високих трошкова. Микро-угљенична микро-електролиза (Фе/Ц микро-електролиза), као зелена-процес физичко-хемијског претходног третмана са малом потрошњом, значајно побољшава биоразградљивост отпадних вода и ефикасно разграђује загађиваче кроз синергистички ефекат електрохемијске оксидације која постаје кључна технолошка оксидација{7 системи за пречишћавање отпадних вода.
Технички принципи
Седамдесетих година прошлог века, технологија микроелектролизе гвожђа-угљеник{2}} први пут је примењена на третман отпадних вода. Пошто је технологија микро-електролизе усклађена са концептом заштите животне средине „третман отпада са отпадом“, има висок однос цене{5}}ефективности и добре резултате третмана, сада се широко користи за пречишћавање различитих врста индустријских отпадних вода. Реакциони механизам за уклањање загађивача помоћу технологије електролизе гвожђа{7}}угљеник микро- је приказан на слици 4, углавном укључујући реакције{10} редукције оксидације, флокулације и адсорпције, електрохемијског обогаћивања и физичке адсорпције.
1) Оксидационе-Реакције редукције
Технологија микро-угљеника микро-електролизе гвожђа (анода) и угљеник (катода) у индустријску отпадну воду формира галванску ћелију, генеришући низ оксидационих и редукционих супстанци за разградњу загађивача у отпадној води. Потенцијал електроде гвоздене аноде, Е(Фе/Фе2+), је -0,44В, стварајући потенцијалну разлику од 1,2В са угљеничном катодом, омогућавајући електродну реакцију на обе електроде.
2) Флокулација и адсорпција.
Током реакције микро{0}}електролизе, метал аноде кородира и ствара металне јоне. У алкалним условима, ови метални јони формирају груде хидроксида са великом специфичном површином, које могу брзо да адсорбују растворену органску материју и суспендоване органске честице у индустријској отпадној води. Када је густина флокула већа од густине отпадне воде, сепарација чврсте-течности се може постићи аерацијом, флотацијом или седиментацијом.
3) Електрохемијско обогаћивање.
Током процеса микро-електролизе, електродне реакције се дешавају на аноди и катоди, стварајући стабилно електрично поље између њих. Наелектрисане честице и колоиди у отпадној води се крећу по принципу супротних наелектрисања који се привлаче под електростатичким привлачењем, што резултира електрофорезом. На крају, наелектрисане честице и колоиди се акумулирају на електродама, постижући уклањање наелектрисаних супстанци из воде путем електрохемијске агрегације.
4) Физичка адсорпција.
Тренутно се активни угаљ (АЦ) углавном користи као катодни материјал у паковању за микро{0}}електролизу. Његове бројне унутрашње поре дају му снажан капацитет адсорпције, ефикасно адсорбујући и органске загађиваче и јоне тешких метала у отпадној води.
Технологија микроелектролизе гвожђа-угљеник{1}} се широко користи у третману различитих индустријских отпадних вода.
Оптимални процесни услови за пречишћавање отпадних вода диазонијумове соли коришћењем технологије микроелектролизе гвожђа-угљеник- су: собна температура, почетни пХ отпадне воде=2, однос течности-према-чврстом стању 12:5 и време реакције 2,0 х. Под овим условима, стопа уклањања КПК достиже 60,28%.
Процес микро-електролизе коришћењем гвожђа{1}}угљеника је коришћен за пречишћавање отпадних вода од бојења и штампања. У оптималним реакционим условима, брзине уклањања КПК, замућености, боје, амонијачног азота и ТОЦ у отпадној води биле су 75,48%, 87,88%, 75,34%, 92,01% и 81,09%, респективно. Процес је потврђен спектроскопском и гасном хроматографијом-масеном спектрометријом за ефикасно разлагање загађивача као што су естри и алкохоли, претварајући их у мале-молекуларне органске загађиваче који се лако биохемијски третирају.
Микро-систем електролизе који користи нулто-валентно гвожђе и гранулирани активни угаљ коришћен је за предтретман отпадних вода рафинерије. У условима пХ=3, дозе нулте-валентног гвожђа од 30 г/Л, дозе гранулираног активног угља од 5,75 г/Л и времена реакције од 15 мин, систем је постигао стопу уклањања ЦОД-а од 38,3% за отпадне воде рафинерије.
Кључни параметри процеса
1. пХ контрола:
Кисела средина (пХ=2~3): Побољшава реакцију издвајања водоника на катоди и промовише формирање [Х], али ризик од корозије опреме мора бити одмерен.
Неутрална транзиција: пХ треба да се подеси на 8-9 да би се омогућила довољна флокулација и таложење јона гвожђа.
2. Иновативна структура паковања:
Дизајн против згрушавања: Користите композитне честице гвожђа-угљеника (као што је Фе/Ц@Ал₂О₃) или реакторе са флуидизованим слојем да бисте смањили пасивизацију паковања.
Каталитичка модификација: Оптерећење металима као што су Цу и Мн побољшава ефикасност преноса електрона (брзина уклањања ЦОД-а може се повећати за 15%-20%).
3. Динамичка контрола аерације:
Однос ваздуха-на-вода од 3:1 до 5:1 спречава згрушавање паковања и обезбеђује оксиданс.
Режим интермитентне аерације (10 мин аерације, 20 мин гашење) може уштедети 30% потрошње енергије.
4. Параметри дизајна инжењеринга паковања:
Particle Size Distribution: The packing particle size should not be too small. It is recommended to use 2-5cm shuttle-shaped packing with a porosity >60% and a strength >600Кг/м².
Висина слагања паковања: Препоручује се на 2,0-3,0 м да би се избегла прекомерна густина паковања.
Нето висина: Ефективна висина реактора 1,2-1,5м, са 20% простора за проширење.
Масени однос гвожђа{0}}угљеника: 3:1 до 5:1, повећајте однос угљеника за велика органска оптерећења.
Тецхнологи Цоуплинг
1. Микро-електролиза-Фентон (МЕ-Фентон) ко-процес
Коришћење Фе²⁺ створеног микро-електролизом за катализацију Х2О₂ ин ситу: Предности: Нема потребе за спољним солима гвожђа, производња муља је смањена за 40%, погодно за отпадне воде високе{2}}концентрације са ЦОД > 5000 мг/Л.
2. Комбинација микро-електролизе-биолошке методе (МЕ-БАФ)
Ток процеса: микро-ћелија за електролизу → неутрализационо таложење → газирани биолошки филтер (БАФ)
Синергистички ефекти:
Микро{0}}електролиза уклања биотоксичне супстанце (као што су формалдехид и фенол)
Побољшава биоразградљивост отпадних вода (БПК₅/ЦОД се повећава са 0,15 на 0,35-0,45)
Дубинско уклањање растворљивих органских материја биолошким методама
3. Микро-електролиза-Технологија раздвајања мембрана
МЕ-УФ/МФ: Флокови микро-електролизе служе као предтретман пре мембранског третмана, смањујући запрљање мембране и повећавајући стопу обнављања флукса за 25%.
Трендови будућег развоја
1. Интеграција процеса:
„Микро-електролизни-Мембрански биореактор“ (МЕ-МБР): микро-предтретман микро-електролизом + биохемијско побољшање + мембранско одвајање постиже скоро -нулту емисију.
2. Функционализација материјала:
Композитни материјал нано-нула-валентног гвожђа-угљеника: Специфична површина повећана на 200 м²/г, брзина реакције повећана за 3 пута.
3. Интелигентна контрола:
Систем динамичке оптимизације АИ: Подешава пХ и брзину аерације у реалном времену на основу података сензора квалитета воде, смањујући потрошњу енергије за 15%~25%.