曾抗美 史建福 劉桂華
(四川聯(lián)合大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系)

　　 摘　要 以飲用水中細(xì)菌總數(shù)和大腸桿菌群為指標(biāo)，以石墨板和鈦板為電極，對電化學(xué)消毒過程中的主要影響因素進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)在處理時(shí)間相同時(shí)，殺菌率隨電流密度的增大而增大、隨水樣pH的降低而增大，殺菌率(α)與處理時(shí)間(t)之間的關(guān)系為：α=K₁e^-K2^/t并對能量的消耗和殺菌機(jī)理進(jìn)行了討論。
　　 關(guān)鍵詞 飲用水處理 消毒 電化學(xué)工藝 功率消耗

　　電化學(xué)殺菌過程既可控制有害副產(chǎn)物的產(chǎn)生，又可同時(shí)去除水中溶解性重金屬、有機(jī)物和其他有害物^［1］具有裝置簡單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。

1　試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)裝置
　　試驗(yàn)裝置如圖1。

1.2 原料與試劑
　?、偌?xì)菌總數(shù)試驗(yàn)所用菌種取自附近河流。取樣后分析其細(xì)菌總數(shù)；大腸桿菌系經(jīng)分離后的純菌種。二者在4 ℃條件下貯備待用。
　?、诜治鲋兴迷噭┚鶠槭惺墼噭?。
1.3分析方法
　　細(xì)菌總數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)平板計(jì)數(shù)法。
　　大腸桿菌群：多管發(fā)酵法。
1.4 試驗(yàn)方法
　　將配制的含菌水樣注入反應(yīng)槽，攪拌均勻后取樣分析初始濃度。通電后開始計(jì)時(shí)，通電過程中調(diào)整電壓，保持電流密度恒定，同時(shí)記錄電壓變化。通電到預(yù)定時(shí)間后取樣分析細(xì)菌濃度。

2　 結(jié)果與分析?

2.1 電流密度對消毒過程的影響
　　任意時(shí)刻t細(xì)菌的存活率β定義為：
　　β=（t時(shí)刻細(xì)菌的濃度/細(xì)菌的初始濃度）×100% （1）
　　(1)相應(yīng)時(shí)刻殺菌率α為：
　　　　α=1-β 　　　(2)
　　以石墨板為電極，電流密度對殺菌過程的影響見圖2、圖3。由圖可見，電流密度增大，殺菌速度加快。以大腸桿菌群為例，t＝5min時(shí)不同電流密度下的殺菌率見表1 。

通過上述分析可知，電化學(xué)過程殺菌效果十分明顯，電流密度對滅菌過程有顯著影響。
2.2 pH值對消毒過程的影響
　　 在電流密度相同的條件下，考察不同pH對殺菌過程的影響，得到的結(jié)果見圖4、圖5(石墨電極)。

　　由圖可見，在殺菌率快速上升階段，相同時(shí)間殺菌率隨pH值的降低而提高，殺菌速度隨pH值的降低而加快，這種趨勢在圖4中較圖5更明顯。
2.3 電極材料對消毒過程的影響
　　以大腸桿菌群為指標(biāo)，比較了以石墨板和鈦板為電極時(shí)的滅菌過程，比較結(jié)果見表2。
　　由表2可見，在處理時(shí)間相同時(shí)，用鈦板作電極的滅菌效果顯著優(yōu)于石墨電極，殺菌速度也更快。在處理時(shí)間為5min時(shí)，用鈦板電極時(shí)的滅菌率是用石墨電極的1.4倍。

2.4殺菌率與處理時(shí)間的關(guān)系
　　 對上述試驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到不同條件下殺菌率α與處理時(shí)間t的關(guān)系(如表3)。

　　由表3可知，α與t的關(guān)系為：α=K₁e^-K2^/t。表中大多數(shù)方程的K₁接近100，可見K₁近似于t→∞時(shí)的α值。K₂對應(yīng)于殺菌速度，“K₂越小，殺菌速度越快”這一規(guī)律在圖2～5與表3的比較中可以得到證實(shí)。

3 討論?

3.1 能耗分析
　　能耗以達(dá)到一定殺菌率時(shí)單位體積水樣(m³)耗費(fèi)的電能(kW·h)表示。
3.1.1 電流密度對能耗的影響
　　石墨板為電極，電流密度對能耗的影響見表4。
　　由表4可見，達(dá)到相同去除率時(shí)，電流密度較低和較高時(shí)單位體積的能耗均低于電流密度居于中等的情況。以大腸桿菌群為水質(zhì)指標(biāo)時(shí)，也表現(xiàn)出相同的趨勢。由此可見，降低電流密度固然對降低能耗有利，但適當(dāng)提高電流密度可使達(dá)到相同去除率所需時(shí)間大幅度縮短，達(dá)到降低能耗的目的，并可提高設(shè)備利用率。

3.1.2 pH值對能耗的影響
　　以石墨板為電極，pH值對能耗的影響見表5。

　　表5顯示較低的pH有利于能耗的降低。聯(lián)系到圖4、圖5中殺菌速度隨pH的降低而提高，能耗隨pH變化的這一趨勢是很自然的。
3.2 化學(xué)殺菌機(jī)理分析
　　電化學(xué)殺菌機(jī)理比較復(fù)雜，其中電化學(xué)過程中產(chǎn)生的具有殺菌力的物質(zhì)起重要作用，特別是水中氯離子在電化學(xué)過程中的中間產(chǎn)物(Cl₂、HOCl、OCl^-)的殺菌作用不容忽視。另外，在陽極上還可能發(fā)生如下反應(yīng)：?
　　　　　　4OH^--4e-->O₂(g)+H ₂O 　　　　　　　(3)?
　　O₂(g)溶解于水中，將改變體系的氧化還原電位，影響細(xì)菌活性或殺死細(xì)菌。
　　在陽極發(fā)生的主要反應(yīng)屬于哪一類，可以通過氧化還原電位進(jìn)行分析。
　　對于前一類反應(yīng)，試驗(yàn)所用水樣中Cl^-濃度為10～13 mg/L,相應(yīng)氧化還原電位為1.570～1.562 V。在試驗(yàn)所采用的電流密度范圍內(nèi)，Cl₂(g)在石墨電極上析出的超電壓為0.089～0.01 V，因此實(shí)際析出電位為1.572～1.659V。
　　對于反應(yīng)式(3)，試驗(yàn)所用水樣pH為6.5～8.5，相應(yīng)氧化還原電位為0.727～0.845 V。在試驗(yàn)所采用電流密度范圍內(nèi)，O₂(g)在石墨電極上析出的超電壓為0.94～1.04 V，因此實(shí)際析出電位為1.667～1.885V。
　　比較二類反應(yīng)的析出電位，可知Cl₂(g)在較低的電位時(shí)即可析出，因此在本文所討論的條件下，陽 極板上主要析出的是Cl₂(g)，Cl₂(g)水解產(chǎn)生的HOCl是主要?dú)⒕鷦?。另外，從pH值對殺菌效果的影響分析也可以證實(shí)這一結(jié)論。如果陽極產(chǎn)生的主要?dú)⒕镔|(zhì)是HOCl和OCl^-，則HOCl和OCl^-的濃度受pH控制。pH降低時(shí)，反應(yīng)向HOCl濃度升高的方向移動；pH升高時(shí)，反應(yīng)向OCl^-濃度升高的方向移動。雖然HOCl和OCl^-都具有殺菌作用，但對于許多種類的細(xì)菌來說，HOCl的殺菌效力是OCl^-的80～100倍^［2］。因此，降低pH有利于提高殺菌率。如果陽極發(fā)生的主要反應(yīng)如式(3)，產(chǎn)生殺菌作用的物質(zhì)是O₂(g)，從式(3)中可以看到，pH升高應(yīng)該有利于O₂(g)的生成，從而有利于提高殺菌率。從前述試驗(yàn)結(jié)果可見，降低pH有利于提高殺菌率，說明陽極的主要產(chǎn)物的確是Cl₂(g)。

4 結(jié)論

　?、?電化學(xué)過程對天然水有殺菌作用。相同時(shí)間的殺菌率隨電流密度的增大而提高，隨水樣pH的降低而提高。
　　② 殺菌率α與處理時(shí)間t的關(guān)系為：α=K₁e^-K2^/t。K₁近似于t→∞時(shí)的殺菌率；K₂值的大小表征滅菌速度的快慢，較小的K₂值表征較快的滅菌速度。
　?、?電極材料對殺菌過程有顯著影響。在本文研究的范圍內(nèi)，用鈦板作電極時(shí)的殺菌速度高于石墨電極。?
　?、?在本文所研究的條件下，適當(dāng)提高電流密度有利于降低單位體積的能耗。?

參考文獻(xiàn)

　　1 Patermaraxis G, Fountounidis E. Disinfection of water by electrochemical treatment. Wat Res, 1990;24(12):1491～1496K)
　　2 Snoeyink V L, Jenkins D.水化學(xué).蔣展鵬，劉希曾譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990?

　　 作者簡介：曾抗美(1950- ) 女 四川聯(lián)合大學(xué)副教授 工學(xué)碩士?
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