论高频脉冲在化学处理废水中的应用

[摘 要]通过指出目前相对成熟的电凝聚处理废水能耗较大的缺点，综合论述了一种新兴的电化学处理废水的方法高频脉冲的原理和应用。高频脉冲根据传统直流电凝聚的基本原理，以脉冲电流的方式弥补了传统电凝聚的局限性，可以有效地降低能耗，提高废水处理的效率。同时比较了高频脉冲与高压脉冲的异同，着重介绍了国内外脉冲电解废水的研究进展。

[关键词]化学 高频脉冲 废水处理 电凝聚

电化学方法治理污水，具有无需添加氧化剂、絮凝剂等化学药品，设备体积小，占地面积少，操作简便灵活等优点[1]。但电化学方法一直存在着能耗大、成本高等缺点，从而大大限制了电化学处理废水在工业中的应用。在几种电化学处理废水类型中，电凝聚与电气浮的运用比较成熟。同化学凝聚相比，电凝聚方法无需投资加药设施，且材料消耗要少许多。其缺陷在于能耗问题。提高电流效率、降低电极极化乃是降低能耗的关键所在，也是今后电凝聚的主攻方向。近年来，电化学工艺的不断进步，以及新电极材料、电源技术和膜材料的应用，为电化学方法治理污染提供了更新、更有效的解决手段。本文主要介绍一种电化学处理废水的新方法高频脉冲电解废水，该方法应用了新发展的电源技术脉冲电源。

根据国内外的研究报道，高频脉冲多用于电镀、地质勘探、优质水处理等方面，在废水处理方面的研究报道极少。

一、电凝聚法处理废水存在的问题

在外加电压的作用下，利用可溶性的阳极，产生大量的阳离子，对废水进行凝聚沉淀，这种方法称为电凝聚[2]。电凝聚往往伴随着气浮，在阴极有氢气被还原，故也有称为电凝聚浮上法的。电极反应如下：阳极：Fe － 2e → Fe2+ 或 Al － 3e → Al3+阴极：2H+ + 2e → H2↑ 或 Ox ＋ ne → Re，铁离子或铝离子与氢氧根结合起到凝聚作用。同时，在阴极发生还原反应，逸出的氢气形成极小的气泡，将废水中的凝聚物浮上电解槽的液体表面。电凝聚作为废水处理的一种有效手段，很早就得到了应用，但由于其在实际应用中单位电耗和铁耗过大，使电凝聚法的发展及应用受到了限制。另外，电凝聚过程中，电解一段时间后，阳极极板会发生钝化现象。钝化时电极表面附着一层氧化物保护膜。检测电极电位可发现，电极电位偏离正常电化学反应电极电位而变正电位。表现为阳极溶出停止，电解槽只有氧化、还原和浮上作用，电凝聚作用消失，液面浮着大量的泡沫。这样就使电流效率降低，从而延缓电解进程。

二、高频脉冲的工作原理及优点

将电解槽与脉冲电源相连接构成电解体系，其进行的电解过程就是脉冲电解。电流从接通到断开的时间Ton为脉冲持续时间[4]，也叫脉冲宽度，即电解的工作时间。电流从断开到接通的时间Toff为电解间歇时间或叫脉冲间歇。输出脉冲可以是等间隔脉冲、疏密脉冲或脉动脉冲。脉冲电流的波形有方波、正弦半波、锯齿波、隔锯齿波等多种形式。典型的电脉冲波形如图1所示。脉冲具有3个独立的参数，即脉冲电压（或电流）幅值、脉冲宽度Ton和脉冲间歇Toff。为了达到较好的去污和节能效果，可对这3个参数进行调整。脉冲周期为脉冲宽度和脉冲间歇之和，脉冲频率则是脉冲周期的倒数。设占空比为r，则r为导通时间（脉冲宽度）与脉冲周期之比：r= Ton /（Ton + Toff），通过改变占空比r的值，就可得到不同的节能效果。高频脉冲即不断地重复进，行“供电断电供电”的高频率脉冲电解过程，使电解效率得到大幅度地提高。脉冲电解，通电时间小于电解处理总反应时间，铁的溶解量将少于直流电解时的溶解量。因此，脉冲电解与直流电解相比，节电的同时也大幅度降低铁耗。由于施加脉冲信号，电极上的反应时断时续，有利于扩散、降低浓差极化，从而降低电耗[6]。电解槽内的电流是离子在电场作用下流动而形成的。在供电时间内，离子浓度会迅速降低；而在断电间隙时间内，离子浓度又会得到迅速恢复和补充。所以在脉冲供电方式下电流密度要比直流供电下的电流密度有所提高，这就使电解去污效果增强。

周期换向脉冲是在正向脉冲后紧跟一个反向脉冲。在电解过程中，如果施加周期换向的脉冲信号，既具备脉冲电解的特点，又由于两极均可溶，更有利于金属离子与胶体间的絮凝作用。同时两极极性的经常变化，对防止电极钝化也起到积极作用。这就是周期换向的脉冲电解新概念，在电镀领域已有应用，但在废水治理领域尚未见报道。脉冲电压通常在100~400V左右，相对直流供电的电压增大了不少。事实上，采用较高的电压，可以大大降低总电流强度和减少电解时间，从而提高电流效率，降低电耗、铁耗，电解效果会更好。由于整个平均电耗降低，电流又不大，因此变压器不易发热，设备运行安全可靠。

三、高频脉冲与高压脉冲的比较

高频脉冲与高压脉冲仅一字之差，有些文献也会将这2个名词混淆。其实高频脉冲与高压脉冲是2种截然不同的研究方法。高压脉冲放电水处理同样有利于实现高能化，但其在液体介质中的脉冲放电伴随有液电效应。高压脉冲放电的电压往往可以达到几十万伏强脉冲放电所产生的等离子体具有高密度储存能量和高膨胀效应，能形成强烈的热能、膨胀压力热能、光能及辐射能力等，进而在水中产生各种游离基，这些活性游离基可以破坏工业废水中的有害成分。高压脉冲的频率一般较低，通常在20～400Hz左右，高频脉冲的频率则可高达几十千赫。高压脉冲水处理具有高效、节能等诸多优点，有很大的应用前景。但是，这种方法处理废水也有一些明显的缺点。首先，高压脉冲电压非常高，留有很多的安全隐患，有些设备在电解过程中有放电危险而不允许人接近。其次，高压脉冲是一种较先进的技术，其仪器比较精密，需要专门的科技人员进行操作，因此其设备成本费用和人工操作费用就相当高。另外，高压脉冲机理复杂，伴随有多种物理现象，国内外对此研究也是近几年的事，要实现工业化还有一定距离。高频脉冲所采用的电压相对直流供电安全值36V而言，也算是高压了，通常可达到300V。但相比高压脉冲的万伏级电压来说，则要低得多，其安全性则强得多。高频脉冲的机理主要还是建立在电凝聚的基础上，因此技术相对成熟，一旦废水处理能大幅度地降低电耗、铁耗，非常容易实现工业化。

四、结束语

高频脉冲处理工业废水是一种崭新而有效的方法，它与电凝聚结合可以发扬电凝聚的优势，同时可以克服电凝聚的缺陷，使电耗、铁耗大大降低，工业前景非常诱人。到目前为止，国内外对高频脉冲在电化学处理废水方面的研究还不多，更缺乏系统全面的分析论证，需要人们加紧开发研究，使之早日应用于环境污染的防治。

参考文献

[1]詹伯君，植绒印花废水脉冲电解处理.污染防治技术，1997，10(3):169~172。

[2]向国朴编著，脉冲电镀的理论与应用，天津，天津科学技术出版社，1989，120~123。.

[3]朱瑞安，郭振常编著.脉冲电镀.北京:电子工业出版社，1987，6~17,228~264。

[4]谢光炎，废水净化的电化学方法进展.给水排水，1998，24(1)，64~68。

[5] 陈繁忠.废水净化的电化学技术进展.重庆环境科学,1997,19(6)，19~21。

[6] 詹伯君，脉冲电解电参数分析和电源试验设计，机电工程,1997,(4)，38~39。

[7]黄清文，高压脉冲在污水处理中的应用，电子世界，1994,(1)，10~11。