吳星五, 高廷耀
(同濟(jì)大學(xué)城市污染控制國(guó)家工程研究中心，上海200092)

　　摘　要：提出一種利用電化學(xué)除鐵的水處理新技術(shù)，不需添加化學(xué)藥劑且無二次污染，其作用機(jī)理是利用陽(yáng)極(不溶性)反應(yīng)產(chǎn)生的新生態(tài)氧和溶解氧將Fe²⁺氧化成Fe³⁺，進(jìn)而水解形成氫氧化鐵膠體，再通過砂濾去除。陰極反應(yīng)生成的OH-引起pH值上升，提高了氧化速度；產(chǎn)生的微氣泡促使高鐵膠體集聚成較大的顆粒，改善了過濾條件。電流密度越高除鐵能力越強(qiáng)，但電流效率下降。試驗(yàn)采用的電流密度為4.0mA/cm²、通電率為50C/L，水流通 過單程處理，含鐵量由4.0mg/L降至0.3mg/L以下。采用循環(huán)處理方法可有效清除水箱黃銹水，其耗電量≤0.02(kW·h)/m3，適用于城市建筑物的供水系統(tǒng)。
　　關(guān)鍵詞：水處理；除鐵；電化學(xué)?
　　中圖分類號(hào)：TU991
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)06-0010-04

Iron Removal by Electrochemical Method for Water Supply System of ?Buildings
WU Xing?wu, GAO Ting?yao
(National Engineering Research Center for Urban Pollution Control,Tongji Universi ty,?Shanghai 200092,China)

　　Abstract：A new electrochemical technology of water treatment for iron removal was propose d,which did not need any chemical agent and had no secondary pollution.The perfo rmance mechanism was electrolysis. Fe²⁺ was oxidized to Fe³⁺ by nascent oxygen and dissolved oxygen produced by anodic reaction (with dimensionally s table anodes),the Fe³⁺ was hydrolyzed to ferric hydroxide,and then the hyd rolysate was filtrated off by sand-bed filter.As pH increased due to the increas e of OH^- formed by cathode reaction, the oxidation rate was increased.The ferr ic hydrocolloid particles were flocculated into much bigger flocs by small bubbl es produced during electrolysis process,so that the condition of filtration was improved.The higher the electrical charge passed per litter of water the high er the ability of iron removal,but the lower the current efficiency.The total ir on content was decreased from 4.0 mg/L to≤0.3mg/L,under the test conditions of current density 4.0mA/cm²,electrical charge per litter of water≥50 C/L (H₂O),and single-pass operation,with quartz sand media adopted.Through circulating treatment,the rusty brown water in tank was cleaned efficiently,and the electri c power consumption was≤0.02(kW·h)/m³ (H₂O).The test result showed that the circulating treatment is applicable to water supply system of urban buildings.
　　Keywords: water treatment; iron removal; electrochemistry

　　目前，城市建筑物中的供水系統(tǒng)由于管道銹蝕等原因，流出的自來水往往因含鐵量高而發(fā)黃、發(fā)渾且?guī)цF腥味，給人們的生活和工作帶來極大的困擾，即使采用市售的各類凈水器也難以解決問題，其中濾芯會(huì)很快失效；若拆除舊管道重新安裝則費(fèi)用高且施工困難。?
　　傳統(tǒng)的除鐵水處理采用的是氧化加過濾的方法，但曝氣和加藥設(shè)備不適用于水箱系統(tǒng)。也有用溶解性鐵或鋁電極電解水除鐵的報(bào)道，但這會(huì)增加水中金屬離子和形成大量絮狀沉淀物，增加后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)。作者采用不溶性的金屬陽(yáng)極電解，利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的溶解氧將水中二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵，不需任何化學(xué)藥劑且無二次污染，可以根據(jù)水中含鐵量調(diào)節(jié)供電量，使處理水達(dá)到自來水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。?

1　試驗(yàn)裝置和方法

　　試驗(yàn)裝置如圖1所示。

　　處理器采用有機(jī)玻璃外殼，內(nèi)徑為48mm，長(zhǎng)為200mm；陽(yáng)極采用表面涂釕的不溶性鈦板，陰極為不銹鋼板，陽(yáng)極工作面積為120 cm²，極板間距為3mm。電極的上部留有空間以保證產(chǎn)生的溶解氧在水中均勻分布。過濾器內(nèi)徑為48mm，長(zhǎng)為400mm，濾料是直徑為0.5～1.0mm的石英砂，濾層厚為300mm，水箱容積為30L。?
　　采用城市舊管道系統(tǒng)流出的自來水為原水，水中總鐵含量為0～6.0mg/L，平均為4.0mg/L。有兩條試驗(yàn)水路，一條從自來水龍頭取水，單程通過流量計(jì)、處理器和過濾器后排出；另一條為用泵從水箱中抽水，經(jīng)處理和過濾后送回水箱進(jìn)行循環(huán)處理。前者在龍頭處和過濾器出水口處取樣分析，后者在水箱中取樣，采用二氮雜菲—分光光度法測(cè)定總鐵。?

2 　結(jié)果和討論

2.1 電流密度對(duì)除鐵效果的影響
　　水流以0.3cm/s的速度單程通過處理器和過濾器，水中總鐵含量隨電流密度的變化如圖2所示。?

　　由圖2可見，電流密度增加含鐵量降低，電流密度＞4.0mA/cm²時(shí)鐵基本被除掉。經(jīng)過3d的間斷運(yùn)行后除鐵效果有所提高，而處理器出水口處的［Fe³⁺］/［Fe²⁺］、色度和濁度均無大改變，除鐵效果的提高主要是過濾能力增強(qiáng)所致。通過觀察發(fā)現(xiàn)濾料的表面產(chǎn)生了棕黃色的氧化鐵膜。根據(jù)接觸氧化的原理，氧化鐵膜能吸附水中二價(jià)鐵離子，并將其催化氧化成三價(jià)鐵，同時(shí)膜能增強(qiáng)對(duì)懸浮顆粒的攔截。
2.2 水流速度對(duì)除鐵效果的影響
　　圖3是電流密度為3.5mA/cm²，改變處理器內(nèi)水流速度的試驗(yàn)結(jié)果。

　　圖3顯示，隨著水流速度的增加除鐵率呈線性下降。由此推斷，水流速度為0.25cm/s時(shí)產(chǎn)生 的溶解氧恰好能滿足氧化二價(jià)鐵的需求，隨著水流速度的增加，溶解氧被稀釋，導(dǎo)致氧化效率下降，但水流速度增加4倍(即溶解氧濃度被稀釋4倍)，除鐵率僅下降15%，由此認(rèn)為氧化主要發(fā)生在陽(yáng)極附近。因?yàn)樗魉俣仍黾樱?jīng)過陽(yáng)極區(qū)的水量在總流量中所占的比例不變，而這部分水保持較高的除鐵率，據(jù)此推斷增大陽(yáng)極面積可以提高除鐵效率。 ?
2.3 不同通電率時(shí)的除鐵率和電流效率
　　由于水流單程通過試驗(yàn)的除鐵效果受電流和水流狀態(tài)的綜合影響，為此可將除鐵率和電流效率(η)看作每升水通入的庫(kù)侖電量的函數(shù)。計(jì)算電流效率時(shí)，將實(shí)際除去的鐵量乘以0.14作為實(shí)際耗氧量；將通過陽(yáng)極板的電流視為全部用于產(chǎn)生氧氣，計(jì)算理論供氧量，通過式 (1)計(jì)算電流效率：?
?　η=除鐵耗氧量/理論供氧量×100%?
　　　=[0.14·ΔFe·F·Z·Q]/[I·t·M·1000] ×100% 　　(1)
　　式中 ΔFe——除鐵量，mg/L?
　　　　?I——電流，A?
　　　　?t?——時(shí)間，s?
　　　　?M——氧相對(duì)原子質(zhì)量?
　　　　?Z——反應(yīng)電子數(shù)?
　　　　?Q——t時(shí)間通過的水量，L?
　　不同通電率對(duì)除鐵率和電流效率的影響如圖4所示。?

　　由圖4可見，通電率越大除鐵率越高。通電率＜50C/L時(shí)，很小的通電率就有除鐵效果，并且除鐵率隨著通電率的增大迅速提高；通電率為50C/L左右除鐵率＞95%；而通電率＞50/L后，除鐵率穩(wěn)定在較高水平。與此相對(duì)，通電率低時(shí)電流效率較高，產(chǎn)生的溶解氧基本都用于氧化二價(jià)鐵，但電流效率隨通電率增加迅速下降；通電率＞50C/L后電流效率較低，因?yàn)樗械亩r(jià)鐵基本上已全被氧化，陽(yáng)極產(chǎn)生的氧僅形成氣泡和增加溶解氧含量。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該根據(jù)處理水的流量和含鐵量來調(diào)節(jié)電流的大小，在水中含鐵量較高的場(chǎng)合才加大通電率以提高電流效率。值得注意的是，雖然圖4顯示加大通電率后電流效率下降，但計(jì)算時(shí)只考慮了Fe²⁺氧化的質(zhì)量平衡，而根據(jù)式(1)可知，為保證達(dá)到較高的氧化速度必須有過剩的溶解氧和OH^-離子，而產(chǎn)生這部分物質(zhì)的電流沒有計(jì)入。同時(shí)在確定水流量的試驗(yàn)條件下，增加通電率意味著增大電流密度，必然引起電極電位增高，當(dāng)電極電位高于水中有機(jī)物的分解電壓時(shí)，部分電流將作用于降解有機(jī)物。另外，電解產(chǎn)生的活性物質(zhì)還起到殺滅水中細(xì)菌的作用。按電壓為5V、電流為0.5A、水流量為500mL/min折算，水流單程通過試驗(yàn)系統(tǒng)的噸水耗電量為0.08kW·h。?
2.4 循環(huán)水處理試驗(yàn)
　　在圖1所示試驗(yàn)裝置的水箱中盛10L自來水，處理器以水流量為500mL/min、電流密度為3.0mA/cm²進(jìn)行循環(huán)處理試驗(yàn)，水中總鐵含量隨處理時(shí)間的變化如圖5所示。圖5顯示，20min時(shí)大部分鐵已經(jīng)被除掉，隨著處理時(shí)間增加水中含鐵量不斷降低。?
　　從圖4和分析結(jié)果可知，在保證處理水質(zhì)達(dá)到要求的前提下，降低電流密度和加大水流量(即采用較小的通電率)可以提高水流單程通過處理的用電效率。再結(jié)合圖5可推斷，在不必一次將鐵除凈的場(chǎng)合，采用較小的電流密度和較大的水流速度進(jìn)行循環(huán)處理，逐漸達(dá)到要求的處理方法比較經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)這個(gè)原理，同時(shí)注意增大電極面積，對(duì)處理設(shè)備加以改造并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。某大樓20m³水箱由于進(jìn)水管道被腐蝕引起水體發(fā)黃，為解決此問題實(shí)施了 除鐵循環(huán)水處理。用泵從水箱中抽水，經(jīng)過處理后再返送回水箱。處理的水流量為1m³/h，電流密度為3.0mA/cm²、總電流為6A，石英砂濾層的直徑為500mm、厚度為700mm。處理過程中水箱的進(jìn)水和出水保持使用狀態(tài)，用水量約為60m³/d。在出水口取樣測(cè)定水質(zhì)，結(jié)果見表1。

表1 　處理水質(zhì) 項(xiàng) 目 6月1日初裝 6月3日 6月5日 Cl-(mg/L) 40 42.1 40 pH 6.5 7.0 7.5 總鐵(mg/L) 14.4 1.35 0.34 總硬度(mg/L)(CaCO₃) 247.2 217.2 219.2 電導(dǎo)率(mS/cm) 0.750 0.732 0.729 HCO3^-(mg/L) 15 145 160 細(xì)菌總數(shù)(個(gè)/L) 10⁴ 10³ 30 注：處理過程中自來水不斷進(jìn)出水箱，保持正常供水。

　　表1顯示，經(jīng)過5d的處理水中硬度、堿度和Cl^-等基本不變，pH值增高而含鐵量大大降低，水中的細(xì)菌基本被殺滅。處理7d后乃至連續(xù)運(yùn)行數(shù)月，盡管水箱進(jìn)水口處總鐵含量＞4.5mg/L，出水口處的總鐵量保持低于0.3mg/L。同時(shí)，水中的含錳量也被降低。
　　經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，過濾器的濾層會(huì)被攔截下來的鐵泥堵塞，使出水速度降低，為此需定期對(duì)過濾器進(jìn)行反沖洗以恢復(fù)正常使用。按電壓為8V、電流為6A、處理水量為60m³/d，單位除鐵量為4.0g/m³計(jì)算，耗電量為0.02(kW·h)/m³，電流效率＞78.0%。

3 結(jié)論

　　①電化學(xué)除鐵的作用機(jī)理為利用電解時(shí)陽(yáng)極產(chǎn)生的新生態(tài)氧和溶解氧將亞鐵氧化成三價(jià)鐵，再通過砂濾將析出的低溶解度鐵的氫氧化物濾除。?
　?、诓捎帽砻嫱繉犹砑淤F金屬的鈦板作陽(yáng)極催化產(chǎn)生強(qiáng)氧化劑，工作過程中電極自身不溶解，對(duì)水體無二次污染。?
　?、坳帢O反應(yīng)生成的OH^-使pH值上升，提高了氧化速度。?
　?、茈娊膺^程產(chǎn)生的微氣泡促使高鐵膠體集聚成較大的絮狀顆粒，改善了過濾條件。?
　　⑤電流密度越高除鐵能力越強(qiáng)，但電流效率下降。
　　⑥在電流密度為4.0mA/cm²、通電率＞50C/L、水流單程通過的工作條件下，處理水的含鐵量可由4.0mg/L降至0.3mg/L以下。??、? 利用所開發(fā)的設(shè)備循環(huán)處理城市建筑物水箱水，有效地解決了黃銹水問題，耗電量≤0.02(kW·h)/m³，電流效率＞78.0%。

參考文獻(xiàn)：

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　　作者簡(jiǎn)介：吳星五(1952-)，男，浙江杭州人，同濟(jì)大學(xué)副教授，博士，主要從事水處理技術(shù)研究。
　　電　　話：(021)65982365(O) 65013936(H)
　　傳　　真：(021)65017386?
　　收稿日期：2001-10-04