A state-of-the-art review of the electrocoagulation technology for wastewater treatment

作者：Sriram Boinpally, Abhinav Kolla, Jyoti Kainthola, Ruthviz Kodali, Jayaprakash Vemuri

Water Cycle, Volume 4, 2023, Pages 26-36, ISSN 2666-4453

https://doi.org/10.1016/j.watcyc.2023.01.001

• 电凝的理论研究和技术机理

• 电凝技术的应用及影响电凝的因素

• 电凝法面临的挑战与未来发展前景

伴随城市化和工业化的持续发展，大量废水急剧产生。电凝是一种可靠的电化学处理技术，该技术易于操作、化学品添加剂用量少。印度马辛德拉大学中央理工学院的Sriram Boinpally等人聚焦电凝技术，概述了电凝处理废水过程中工艺变量、操作因素等对技术效率的影响，并讨论了电凝技术的最新研究进展。

研究表明电凝能有效去除地下水中总磷酸盐、氯化物、硫酸盐、钙镁离子等，电凝工艺被广泛用于纺织业、肉类加工等行业废水。电凝技术的基本原理是电解，电解工艺开发初期是通过产生氯气减少污水臭味并对污水进行消毒，1889年伦敦，电凝技术首次在一家污水处理厂中得到应用。此后关于电凝技术的相关专利陆续被提出，但由于电力成本较高并未得到广泛应用。1984年美国，电凝技术去除地下水和地表水中污染物效率高于化学混凝技术，被用于饮用水处理。电凝技术是电化学、混凝和气浮等技术的结合，随着技术的发展，电化学工艺已经可以在低电流条件下运行，可以和太阳能电池、燃料电池等结合使用，具有丰富的应用前景。

如图1所示，电凝池中的电解槽由一个阴极和一个阳极组成，阴极和阳极外接电源，并浸入电解液中。电流通过时，阳极发生氧化，金属解离成二价或三价金属离子，释放出等量的电子。尽管电极由相同的材料组成，但溶解只发生在阳极上。水在阴极上的还原过程会形成氢气和氢氧根离子。阳极上形成的金属离子与氢氧根离子结合形成金属氢氧化物，溶液的 pH 值影响形成单质或聚合、可溶或不溶的金属氢氧化物。金属氢氧化物是非常好的污染物吸附剂，由于其比表面积很大，因此很容易与污染物结合并形成絮状物。阴极生成的氢气将较轻絮状物提升到溶液表面，这一过程称为电浮，这些絮状物可以通过撇渣去除。形成的较重絮状物往往会沉入底部，形成污泥，可以通过各种方法有效清除。阳极产生的氧气形成过氧化氢（中间产物），有助于无毒和有毒物质的氧化。

图1 电凝池示意图

电凝池的设备设计简单、清洁高效，能处理多种废水。乳制品废水处理，使用铝作为电极材料，电流密度为6.16 mA/cm²、pH=5时，25 min COD去除率达到57%；另有实验证明以氯化钙作为电解质效果极佳：pH 值为 7 时，磷酸盐和浊度的去除率高达 95%，溶液中的有机物被去除，电凝后的溶液在 45 小时内保持稳定 。制革废水处理，将电凝技术和紫外混用，对废水进行连续处理的效果很好：电凝技术和紫外线结合可减少废水中 94.1% 的 COD，电凝技术和紫外线技术单独使用分别减少85.7% 和 55.9%。纺织业废水处理，添加空气微气泡扩散器、折板电极等，与传统电凝池相比脱色率高达92.35%，装置受平板距离、倾斜度、液体流量等系统因素影响较大。家庭自来水中氟化物的去除研究表明，电凝技术针对1.5mg/L的氟浓度去除率达到90%。

图2 电极的不同排列方式

影响电凝技术去除污染物效率的因素包括：溶液的电导率、电源类型、溶液的 pH 值、电极间距、电解时间、电流密度等。在电解过程中，阴极附近的溶液会因存在的各种离子的移动而浓缩，通过搅拌可将这种影响降至最低。电极间的部分空间会被气体占据，从而增加电阻，可利用波纹电极和穿孔电极将气体排出。电极间静电场会随着电极间距的增加而减弱，导致离子移动减缓，达到更好的絮凝效果。铝和铁因为产物具有良好的混凝效率成为常用的电极材料，当水中钙镁离子浓度较高时，建议使用惰性阴极材料。电凝过程中，溶液的pH会随时间推移而不断变化，出水的最终pH值影响污染物的去除效率；电流密度也与pH存在一定的关联，影响污染物的去除效率。污染物的去除效果也与电解时间有关，达到最佳电解时间后，污染物去除效果不会继续增加，普通电极和扩展表面电极的最佳电解时间分别为 3 小时和 2 小时。电极的连接方式会影响电凝池的降解效率（如图2所示），单极并联（MP-P）、单极串联（MP-S）、双极并联（BP-P）代表不同的连接方式， MP-P的连接形式成本效益最高。

目前关于电凝池的研究多集中在特定污染物的去除上，关于反应器的最佳设计和运行条件研究不足，相关模型的开发将有助于电凝池的实际生产应用，此外还应聚焦如何解决电极的钝化、提高絮凝效果等关键问题，以开发出低能耗、高效率、可应用的电凝处理工艺。

电凝技术应用基础广泛、成本效益高，与传统污水处理技术相比具有显著的优势。电凝过程复杂，涉及多种机制和变量，电解设备开发较多，但在大规模工业生产中的性能还有待检验。因此了解相关反应机理、构建应用模型是推动电凝技术广泛应用的基础。

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