電化學技術(shù)與環(huán)境保護

電化學技術(shù)與環(huán)境保護環(huán)境保護是人們十分關(guān)心的問題。電化學技術(shù)在環(huán)境保護技術(shù)開發(fā)中發(fā)揮著極其重要的作用。其在環(huán)境保護過程中所體現(xiàn)出的優(yōu)越性主要為以下幾點。環(huán)境兼容性高電化學技術(shù)中使用清潔、有效的電子作為強氧化還原試劑，是一種基本對環(huán)境無污染的“綠色”生產(chǎn)技術(shù)。由于界面電場中存在著極高的電位梯度，電極相當于異相反應的催化劑，因而減少了有可能因加催化劑而帶來的環(huán)境污染。同時電化學過程有較高的選擇性，可防止副產(chǎn)物的生成,減少污染物。多功能性電化學過程具有直接或間接氧化與還原、相分離、濃縮與稀釋、生物殺傷等功能，能處理微升到1X1Q6L的氣、液體和固體污染物。能量高利用率與其他一些過程相比，電化學過程可在較低溫度下進行。它不受卡諾循環(huán)的限制，能量利用率高。通過控制電位、合理設計電極與電解池，減小能量損失。經(jīng)濟實用設備、操作簡單，費用低。電化學技術(shù)對于環(huán)境保護的貢獻是多方面的，本文作者從電化學技術(shù)對環(huán)境污染的防范、對環(huán)境污染的治理和對環(huán)境監(jiān)測的角度做全面綜述。1電化學技術(shù)與環(huán)境污染防范1.1化學電源化學電源是按電化學方式直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。人類轉(zhuǎn)化能量的傳統(tǒng)方式是熱機過程,然而熱機過程受卡諾循環(huán)的限制，不但能量轉(zhuǎn)化效率低造成能源浪費，而且產(chǎn)生大量的粉塵、二氧化碳、氮的氧化物和硫的氧化物等有害物質(zhì)以及噪聲，造成大氣、水質(zhì)、土壤等污染，是環(huán)境保護所要解決的重要部分。與熱機過程相比，化學電源具有高效、清潔、經(jīng)濟、安全的優(yōu)點。在經(jīng)歷了1QQ多年的發(fā)展后,化學電源已被廣泛應用于航空航天、機動車輛、大型電站、移動通訊、家用電器等領(lǐng)域。因此，化學電源為保護環(huán)境、減輕污染治理的壓力做出了重大貢獻。化學電源按活性物質(zhì)的保存方式可分為3種主要類型:一次電池、二次電池(蓄電池)和燃料電池。由于一次電池不易回收，隨著環(huán)保和節(jié)約地球有限資源的要求，近年來人們將研究重點置于二次電池和燃料電池的研究，原有的一次電池也向二次電池轉(zhuǎn)換。鉛酸蓄電池是人們長期使用的傳統(tǒng)二次電池,目前它雖然有比能低、充電速度慢、壽命不長的缺點，但它的成本低廉,人們正在對鉛酸蓄電池的改進做深入研究。同時，新型蓄電池已得到快速發(fā)展，新型蓄電池向著比功率、比能大、壽命長、安全、成本低的方向發(fā)展。例如Cd/Ni電池、MH/Ni電池、Na/S電池、Li/Ion電池、Li/Polymer電池、Zn/空氣電池等。各種電池體系的性能見表1。表1各電池體系的性能電極比譴ikJig-]峰值比功率iW-kg']循環(huán)壽命.■liPb-PbO2108-1441?0--300iC'O-1000C^NiOOH18DSO-lziO>1D00MH-'NiOOH216-2S82DC-ZlT空氣NaS360230>750NaNiC：228S13012DOLi.-PohTner54D400<100LiAl.JF&S：648^720；2DC-1ODOLi.Ton285-324400—1200A2答燃料電池性能電池類AFCPEMF：PAFCMCFCSOFC礎(chǔ)PtCPt.CNi/AlNL'ZrO2匪極Pt-'AgPt.-1cPi/CLi/NiOSrLaMnO^電簫質(zhì)35OH-NaOH全仙:碰喉液K：CC3國LijCO3麗化藝?.痣定的別皓燃料純箜、柬整氣凈化燃氣冷化煤氣知化垂整氣策:整氣天然氣天歐氣工作溫影r空溫7)0室溫?100100200600—700SCO^i000后劫時問7L釧<5￡幾會鐘1Csmm.>10EO.il規(guī)椀kW1?1GG1?3。01—200。250—2C001F0J壽命水平Jh1000010000D15003130O€7000應用方■向航天飛機短蝸飛?電劫汽牢'牢用期、步凈電站潔凈電站沾存電;古移動電源、沽凈電站、衛(wèi)星飛船、上空基地燃料電池具有高效、環(huán)境友好、安靜、可靠性高的優(yōu)點。燃料電池按電解質(zhì)可分為5類:堿性燃料電池(AFC)、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)、硫酸鹽燃料電池(PAFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)。性能見表2。燃料電池應用廣泛，既適用于集中發(fā)電，也可以用于各種規(guī)格的分散電源和可移動電源。質(zhì)子交換膜燃料電池可在室溫下幾秒鐘快速啟動，其工作電流密度可達1?4A?cm-2，比功率011?012kW?kg-1,能量轉(zhuǎn)化率可達40%?50%。因此，它是電動汽車、潛艇動力源和各種可移動電源的最佳選擇，目前對質(zhì)子交換膜燃料電池的研究已成為燃料電池研究的主流，尤其是對直接以甲醇為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池的研究。固體燃料電池特別適于建造大、中型電站，其燃料的總發(fā)電效率可達70%?80%。熔融碳酸鹽燃料電池應用于建造區(qū)域性分散電站，燃料的總發(fā)電效率可達60%?70%。20世紀汽車工業(yè)的發(fā)展，使得全球的車輛數(shù)目激增至約6億輛,因此基于無污染、零排放電動汽車的開發(fā)與研究，更促使二次電池和燃料電池飛速發(fā)展。有人預測，以化學電源為基礎(chǔ)的人類文明社會即將到來?；瘜W電源必將為可持續(xù)發(fā)展和保護環(huán)境做出更大貢獻。1.2電化學清潔工藝電化學過程對反應條件要求不高且具有高選擇性，不僅減少了副反應產(chǎn)物，還使一些特殊的化學反應成為可能，它可以實現(xiàn)有用原料的循環(huán)使用，減少污染物的產(chǎn)生和排放。有機電合成法就是借助電極傳遞電子，使有機物氧化或還原，而不采用化學品直接氧化或還原有機物。它是電化學、有機化學和化學反應工程的交叉學科。有機電合成具有反應條件溫和（可在常溫常壓下進行）、工藝流程簡單、易于實現(xiàn)自動控制、產(chǎn)物選擇性高、副產(chǎn)物少、污染少甚至無污染等優(yōu)點，是綠色合成的必要途徑之一，被稱為綠色工業(yè)?；谟袡C電合成的這些優(yōu)點和傳統(tǒng)化學合成的三廢污染嚴重的現(xiàn)狀，有機電合成取得了高速發(fā)展。電合成方法生產(chǎn)的有機產(chǎn)品已經(jīng)超過了100多種。世界上有機電合成的產(chǎn)品產(chǎn)量由過去的幾噸增加到10萬多噸。有機電合成法生產(chǎn)重要化工原料己二腈早已被人們所熟知。以Ce4+/Ce3+或Mn3+/Mn2+為氧化還原媒質(zhì)間接電氧化法合成氟代苯甲醛，母液可循環(huán)使用，整個工藝基本無污染物產(chǎn)生。再如，可采用陰極間接電氧化的方法以各種氧化媒質(zhì)對烯酸進行間接環(huán)氧化；用成對電解合成重要生化試劑L-磺基丙氨酸以及環(huán)氧化合物、1，2-二醇化合物、鄰鹵代醇等重要有機化合物。有機電合成技術(shù)應用廣泛,有廣闊的發(fā)展前景。1.2.2電化學水消毒工業(yè)廢水、生活污水、游泳池水、飲用水等水的處理與制備都涉及到消毒技術(shù)。常見的消毒技術(shù)主要有氯消毒、臭氧消毒以及紫外輻射消毒。氯是一種優(yōu)質(zhì)消毒劑，有很強的殺菌滅藻作用，且價格低廉，應用比較廣泛，但氯消毒技術(shù)有很大的不足之處，氯消毒過程不僅具有高危險性,而且會產(chǎn)生很多毒性很大的副產(chǎn)物。例如:三氯甲烷、四氯化碳等許多致癌物質(zhì)，對人和環(huán)境都有極大的危害;臭氧消毒以及紫外輻射消毒效果較好，但其能耗和價格很高。用電化學方法在線制備消毒劑水消毒技術(shù)已經(jīng)得到發(fā)展。電化學水消毒能夠彌補上述方法的不足，它節(jié)能廉價、無殘留、安全。例如在一般的條件下，可以以電解方式在線制備H2O2，有很好的消毒效果。電化學水消毒可用石墨或石墨纖維電極、金屬鈦電極、多孔碳及SnO2電極等。還可以基于電吸附和陽極直接氧化細胞內(nèi)輔助酶A的電化學消毒方法。1.2.3其他電化學工藝膜輔助電化學工藝如電滲析、電去離子（離子交換輔助電滲析）以及電浮選和電凝聚，通過替代對環(huán)境危害嚴重的老工藝，以其清潔的生產(chǎn)工藝，在環(huán)境污染防護、環(huán)境污染治理方面（見21113節(jié)）都起著重要作用。例如，用電滲析法可制高純水以及應用于海水淡化；電浮選和電凝聚可用于各種用水的預處理。最近發(fā)展較快的電去離子技術(shù)，是將電滲析與離子交換技術(shù)相結(jié)合而組成的一種新工藝，它與反滲透裝置聯(lián)合已應用于工廠給水制備中。電去離子技術(shù)不僅具有很高的性能價格比，而且無需使用酸、堿再生化學劑,從而減少廢液處理和排放。據(jù)預計，在今后的幾年內(nèi)大約有85%的工業(yè)水處理系統(tǒng)要用到RO/EDI技術(shù)。2電化學技術(shù)與環(huán)境污染治理2.1液相污染治理2.1.1無機污染廢液處理利用電沉積、電化學氧化還原、光電化學氧化等電化學方法，可以處理多種無機污染廢液。如:有毒重金屬離子、有毒無機鹽（包括氰化物、硫氰酸鹽）、硫酸鹽、硫化物、氨等。電化學法處理含有毒重金屬離子的稀廢液是最常應用的。電鍍、冶金、印刷電路、顯影等許多工業(yè)都排放出大量含金屬離子的稀廢液，近年來對排放液中金屬離子的含量要求越來越嚴格，傳統(tǒng)加堿沉淀金屬離子的方法只能使Cu、Zn等少數(shù)金屬離子達到排放濃度要求，而且對環(huán)境有較大污染。這促使電化學方法處理金屬離子稀廢液得到了發(fā)展。電化學方法處理金屬離子稀廢液的效率取決于被移除粒子的傳質(zhì)速率、電極的有效面積、副反應的發(fā)生，而電極的結(jié)構(gòu)和材料是影響傳質(zhì)速率和電極的有效面積的主要因素。因此，目前電化學方法處理含金屬廢液工藝的技術(shù)核心及研究方向是具有新型電極結(jié)構(gòu)、材料的電解槽的設計開發(fā)。電解槽的形式可分為:二維電極電解槽和三維電極電解槽。針對不同污染物和不同生產(chǎn)狀況，各種不同結(jié)構(gòu)的電解槽在工業(yè)污染治理中得到應用，見表3。表3不同結(jié)構(gòu)的電解槽在工業(yè)污染治理中的應用電解描結(jié)構(gòu)傳質(zhì)速率瞄m笠'1溶液濃度低限C0.也可處迥金屬高子二雉平面板電極1XW55Cu(11)等旋轉(zhuǎn)圓筒電檢1XW45X10'1Fe(皿、Cu(0)、Cr(VD、Ag(3),Nii：ID三維高孔隙率三維電極務孔電極（玻璃碳網(wǎng)電極RVC）1xw25X10-1Cu(n)、Cr(VD、Hg(n)、Pb(n)低空隙率三維電極映充床電檢2XW45X10'4Cu(H)1(H)、A前I)6X10'11X10'2Cu(?二維電極應用最多的是平面板電極和旋轉(zhuǎn)圓筒電極。平面板電極電解槽應用范圍廣泛，它的結(jié)構(gòu)簡單，電勢和電流密度分布均勻，可以方便的定期從開放陰極上取出電沉積的金屬污染物，清除沉積物后的電極可重復使用。平面板電極電解槽的缺點是不適用于對稀溶液的處理。旋轉(zhuǎn)圓筒電極電解槽具有均勻的電勢和電流密度；溶液在槽內(nèi)湍流流動，因此有很高的傳質(zhì)速率；陰陽兩電極距離間隔小，因此槽的占地空間小，歐姆損耗??；能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷生產(chǎn)。旋轉(zhuǎn)圓筒電極電解槽主要應用于對Fe、Cu、Ag、Cr、Ni等金屬離子的去除或回收。與平面板電極電解槽相比，旋轉(zhuǎn)圓筒電極電解槽的能耗較高些。三維電極電解槽的電極具有較大的表面積，傳質(zhì)速率高，電極材料廉價，可在低電勢條件下生產(chǎn)。常見的有填充床電極和流化床電極。對三維電極電解槽的研究重點正向著開發(fā)多孔新型電極材料和新型填充材料的方向發(fā)展。但是,就目前而言，三維電極電解槽還存在很多技術(shù)難點，因此應用不是很廣泛。在工業(yè)實踐中，二維電極的效果要優(yōu)于三維電極，尤其是旋轉(zhuǎn)圓筒電極應用于處理金屬離子稀廢液的效果最佳。更多、更新的電極和電解槽的設計、開發(fā)必將使電化學方法處理廢液應用更加廣泛。2.1.2有機污染廢液處理利用電化學方法，可使有機污染物在電極上發(fā)生直接電化學反應，轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì),例如對酚類、含氮有機染料、氰化物等的處理；或發(fā)生間接電化學反應,利用電極反應產(chǎn)生強氧化作用的中間物質(zhì)，對有機污染物氧化，最終降解。電化學方法處理有機污染廢液的過程與電極材料、電極表面結(jié)構(gòu)及負載情況、電解質(zhì)溶液組成以及濃度等因素相關(guān)。其中電極材料是最重要的因素，不同的電極材料具有不同的特殊催化特性，可以產(chǎn)生不同的反應或不同的氧化中間物質(zhì)，因此電極材料的開發(fā)是電化學方法處理有機污染廢液技術(shù)的關(guān)鍵。表4表述了一些電化學方法處理有機污染液的應用。表4電化學方法處理有機污染液傍染物相關(guān)工業(yè)電拔附類有機物印染、塑膠、醫(yī)藥、堞油、?煉作，待石墨、所:、Sn6「Ti、TiQ:.Ti染料漂染I業(yè)等袱涂丘,石墨屯極nPbOjH鹵代化含物殺蟲劑、除草劑等3、PbO2.成纖淮電極表面活性劑表面沽性劑石墨、氧化卿涂貿(mào)秋電秋芳香暇類有機物印染、石油、橡膠、EL3PbO22.1.3其他電化學工藝電滲析、離子交換輔助電滲析以及電浮選和電凝聚不僅可以用作清潔生產(chǎn)工藝以預防環(huán)境污（見11213節(jié)）,而且它們也是有效的廢液處理染方法。工業(yè)上采用電滲析的方法處理含Ni2+、CrO2-4、Sn2+、亞磷酸鹽和次磷酸鹽等稀溶液。離子交換輔助電滲析以其可多樣化設計，適用范圍廣等優(yōu)點，成為開發(fā)應用熱點，例如從NiSO4稀溶液中回收Ni,濃縮CuCl2稀溶液等。采用電浮選和電凝聚可除去廢水中有毒物Cr6+、磷酸鹽、膠體、懸浮物和有機物。2.2氣相污染治理化工廠、熱電廠等工業(yè)排放出許多有毒、污染環(huán)境的氣體,如:Cl2、H2S、SO2、NOx、CO2等。電化學方法可處理凈化廢氣。首先氣態(tài)污染物通過電解液被吸附或吸收，然后直接在電極上發(fā)生電化學污染物轉(zhuǎn)換，或者間接的利用均相、異相氧化還原媒介對污染物進行轉(zhuǎn)換。電化學方法處理凈化廢氣工藝可分為槽內(nèi)工藝和槽外工藝。槽內(nèi)工藝是氣體直接經(jīng)吸附轉(zhuǎn)移到電化學反應器內(nèi)并被處理；槽外工藝是氣體先被吸附到獨立容器中，再轉(zhuǎn)移至電化學反應器中進行處理。見圖1。3電化學技術(shù)與環(huán)境監(jiān)測以電化學分析方法為原理的電化學傳感器，具有快速、靈敏、準確、結(jié)構(gòu)簡單、便于自動化等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測中應用廣泛。3.1離子傳感器離子傳感器也可稱為離子選擇性電極。其構(gòu)造的主要部分是離子選擇性膜，因為膜電位隨被測定離子的濃度而變化，故通過對離子選擇性膜電位的測定可以得到被測離子濃度。按膜的種類不同,離子傳感器有固體膜離子傳感器:玻璃膜、難溶鹽和液體膜離子傳感器。玻璃膜傳感器出現(xiàn)最早，應用最廣。目前較為常用的是Na2O-A12O3-SiO2混合玻璃膜。它對離子的選擇性是隨電解液的pH值和玻璃組成而變的，一定組成玻璃膜在低pH值電解液中，只對H+有選擇性,但在高pH值電解液中，可以有效響應堿金屬離子如Na+、K+、Li+。摻EuF2的氟化鑭傳感器是應用很廣泛的一種固體膜傳感器，被各國用于監(jiān)測飲用水或污水中氟的含量。難溶鹽硫化銀與鹵化銀混合的晶體膜電極可以測定鹵素離子（Cl-、Br-、I-）難溶鹽硫化銀還可與金屬硫化物制成膜電極,測定相應的金屬離子（如Cu2+、Pb2+、Cd2+）。液體膜離子傳感器的電極是將敏感材料有機液體離子交換劑充分滲透在惰性多孔電極膜中制成的。目前，常將液體膜制成類似固態(tài)的“固體”膜，如PVC膜電極等其他有機材料膜電極成為研究熱點.3.2氣體傳感器目前，電化學氣體傳感器可以用于檢測環(huán)境中