CN102976472A - 一种铁阴极电芬顿地下水修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铁阴极电芬顿地下水修复方法，具体是以惰性导电材料为阳极、以铁为阴极A、以导电材料为阴极B，通过电解地下水产生的氢气和氧气在催化剂作用下原位产生过氧化氢，在Fe(II)及pH=3~3.5的弱酸性条件下产生高强氧化物将地下水中的污染有机物氧化降解以实现对有机污染地下水的原位修复，所述Fe(II)由铁的阴极A在电化学作用下自动形成的pH=3~3.5的弱酸条件下原位产生。该方法利用铁作为一个阴极在电化学自动生成的弱酸条件下原位产生一定浓度的Fe(II)，具有处理效果灵活可控和处理过程环境友好的特点。

Description

一种铁阴极电芬顿地下水修复方法

技术领域

本发明涉及一种铁阴极电芬顿地下水修复方法，属于地下水修复技术领域。

背景技术

地下水是被广泛采用的饮用水源，但很多城市地下水不同程度受到污染，其中有毒有机物如氯代烃、苯系物、醚类等引起的污染尤为严重，总体污染形势已非常严峻。在地下水污染中，以源污染为特征的小面积场地污染地下水，由于污染程度高和危害严重受到了高度关注。因此对受有毒有机物引起的污染场地地下水进行修复具有重要意义。

电芬顿技术由于处理效果好和灵活可控等优点在水处理领域受到极大关注。电芬顿主要是通过电解作用原位产生过氧化氢，在外加亚铁离子（即Fe(II)）和酸性条件下（pH≈3）产生强氧化性物种（如·OH）将有机污染物氧化降解。与废水处理不同的是，地下水修复过程中存在着Fe(II)供应和pH调节困难等问题。Fe(II)的供给方面存在以下问题：①当利用牺牲阳极法产生Fe(II)时，Fe(II)量和最终的铁污泥产生量都很大，铁阳极腐蚀损失非常严重；②当Fe(II)由外源加入时，由于开始Fe(II)的量很大，不能得到充分利用和调控，一部分Fe(II)会在阳极氧气作用下氧化成Fe(III)，Fe(III)在阴极还原成Fe(II)的能力有限，有效的Fe(II)浓度无法维持在一个较高的水平，使处理效果逐渐下降；③虽然地下水含水层中有少量的Fe(II)，但Fe(II)的含量通常很低（如< 1 ppm），不足以保证电芬顿反应的高效进行。在pH调节方面，不论是通过牺牲阳极产生Fe(II)还是外源加入Fe(II)，都需外加酸碱进行人为调节，这在地下水赋存条件下较难实现。

发明内容

为克服电芬顿技术用于地下水修复时铁供应方式的不足，本发明提供了一种铁阴极电芬顿地下水修复方法，该方法利用铁作为一个阴极在电化学作用下自动生成的弱酸条件下原位产生一定浓度的Fe(II)，具有处理效果灵活可控和处理过程环境友好的特点。

实现本发明目的所采用的技术方案是以惰性导电材料为阳极、以铁为阴极A、以导电材料为阴极B，通过电解地下水产生的氢气和氧气在催化剂作用下原位产生过氧化氢，在亚铁离子及pH=3~3.5的弱酸性条件下产生高强氧化物将地下水中的污染有机物氧化降解以实现对有机污染地下水的原位修复，所述亚铁离子由铁的阴极A在电化学作用下自动形成的pH=3~3.5的弱酸条件下原位产生。

其采用的具体步骤为：

①自下向上依次安装阳极、阴极A和阴极B，并在阴极A和阴极B之间设置变阻器，阳极与阴极A之间的距离为2~40cm，阴极A与阴极B之间的距离为4~80cm；将负载钯催化剂紧靠阴极A填充于阴极A与阴极B之间，填充厚度为1~5cm，负载钯催化剂中的钯的质量比含量为0.5~5%；三个电极和催化剂组成一体式反应器安装在井中，并通过水泵与外界连通循环；

②通过调节阴极A和阴极B之间的变阻器，使60%~70%的电流通过阴极A，30%~40%电流通过阴极B，使阴极A周围的区域成为pH=3~3.5的弱酸性，阴极A，即铁阴极将会在此弱酸性条件下原位产生亚铁离子；

③有机污染地下水在泵的作用下进入一体化反应器依次通过阳极、阴极A、催化剂和阴极B；地下水先通过阳极被阳极产生的氧气饱和，随后地下水进入阴极A和催化剂弱酸性区域，电解地下水产生的氢气和氧气在催化剂作用下转化为过氧化氢，并在pH为3~3.5弱酸性条件下与亚铁离子结合产生强氧化性物质羟自由基，将地下水中的有机物氧化分解为无毒有机酸和二氧化碳，使地下水得以修复，最后经过修复后的弱酸性地下水通过阴极B被中和为中性。

由上述技术方案可知本发明利用铁作为一个阴极，在电化学自动产生的弱酸性条件下，原位生成亚铁离子Fe(II)，结合原位在Pd催化作用下生成的过氧化氢，产生·OH对污染物进行去除，并保证出水为中性。该方法具有处理效率高、处理时间短、运行成本低等优点，对于推动污染场地地下水的治理技术发展具有理论和现实意义。

与现有的电芬顿技术相比，本发明的进步意义在于：①将Fe(II)的供应方式由外源加入或阳极产生改变到通过阴极产生，减少了铁污泥的产生，提高了Fe(II)的利用率和污染物的修复效果；②可以灵活调控Fe(II)的产生量，通过调整电流分配，根据污染物浓度的高低灵活的控制Fe(II)的生成量；③通过调控电流分配，可以保证出水在中性范围，避免了传统方法出水为过酸或过碱水导致的潜在风险。

附图说明

图1为本发明提供的铁阴极电芬顿地下水修复方法原理图。

图2为实施例1铁阴极和出水处pH变化情况图。

图3为实施例1铁阴极和出水处Fe(II)和总铁的产生情况图。

图4为实施例1铁阴极和出水处MTBE降解情况图。

图1中1、阳极，2、阴极A，3、负载钯催化剂，4、阴极B、5、水泵，6、直流电源，7、电流表，8、变阻器，9、污染地下水，10、净化出水。

具体实施方式

①电极材料选择：阳极选择钛涂层等惰性导电材料；阴极A选择铸铁；阴极B选择钛涂层等导电材料；阳极、阴极A和阴极B的形状为网状或者穿孔板状。

②电极和催化剂和反应器安装：如图1所示，自下向上依次安装阳极1、阴极A2和阴极B4，阳极1与阴极A2之间的距离为2~40cm，阴极A2与阴极B4之间的距离为4~80cm；并在阳极1与阴极A2之间设置变阻器8，将三个电极与直流电源6连成电解电路，用电流表7测电路中电流；将负载钯催化剂3紧靠阴极A2填充于阴极A2与阴极B4之间，填充厚度为1~5cm，负载钯催化剂3中的钯的质量比含量为0.5~5%；三个电极和催化剂组成一体式反应器安装在水井中，并通过水泵5与外界连通循环。

③电流调节：接通直流电源6后通过调节阳极和阴极A之间的变阻器，观察电流表7，使60~70%的电流通过阴极A，30~40%电流通过阴极B，这样，阴极A附近的区域将为弱酸性（pH=3~3.5），铁阴极将会在此弱酸性条件下原位产生Fe(II)；

④地下水修复：污染地下水9在水泵5的作用下依次通过阳极、阴极A、催化剂和阴极B；地下水先通过阳极被阳极产生的氧气饱和，随后地下水进入阴极A（即铁阴极）和催化剂弱酸性区域，在该区域，铁阴极将原位产生低浓度的Fe(II)，电解地下水产生的氢气和氧气在催化剂作用下转化为过氧化氢，并在弱酸性条件下与Fe(II)结合产生强氧化性物质羟自由基（·OH），将污染地下水9中的有机物氧化分解为无毒有机酸和二氧化碳。经过处理修复后的弱酸性地下水通过阴极B被中和为中性；

⑤修复效果和能耗优化：根据处理后地下水中有机物的浓度高低，对总电流和两个阴极之间的电流分配进行调节，以保证修复效果并降低电能消耗。如出水浓度过低则可降低总电流和通过调节电流分配增加铁阴极附近pH值，以减少Fe(II)的产生，降低能耗和铁污泥的产生；如出水浓度过高则可提高总电流和降低铁阴极附近pH，以提高Fe(II)产生，从而保证净化出水10浓度达标。

以下是采用本发明提供的地下水修复方法对醚类污染地下水修复的具体实施例1。

甲基叔丁基醚（MTBE）是地下水中的一种典型醚类污染物，地下水中的MTBE对饮水安全存在极大危害。为考察下铁阴极原位产生Fe(II)的能力及其对MTBE的氧化效果。让10mg/L的MTBE依次通过阳极、阴极A和阴极B，阳极和阴极B均为钛网电极（本实施例中均采用钛基二氧化铱五氧化二钽电极，电极呈圆盘状，直径×厚度=50×1.7mm），阴极A为铁电极（带孔铸铁圆盘，直径×厚度=50×1.7mm），铁电极上均匀分布17个直径为4mm的圆孔以利于水流通过。总电流为80mA，阴极A和阴极B分别分配50 mA和30 mA。4.5g Pd/Al₂O₃（质量比为0.5%）催化剂均匀的覆盖在阴极A上面，位于阴极A和阴极B之间。图2为铁阴极和出水处pH变化，从中可以看出铁阴极处的pH在3.5左右；图3为铁阴极和出水处Fe(II)和总铁的变化情况，从中可以看出，在铁阴极附近，Fe(II)的产生量达到了32mg/L，从而证明了本发明的可行性，即在电化学自动形成的弱酸性条件下，通过铁阴极能原位产生一定量的Fe(II)。图4为铁阴极和出水处MTBE降解情况，从中可以看出在铁阴极和出水处MTBE的浓度均随着时间增大而减少，480min后超过70%的MTBE被氧化成低毒或无毒的产物，并且出水的pH在中性范围（图2）。从图3还可以看出在出水处Fe(II)的量很低（<0.5mg/L），同时出水处的总铁浓度也很低，从而产生的铁泥量也很少。

Claims (3)

1.一种铁阴极电芬顿地下水修复方法，其特征在于：以惰性导电材料为阳极、以铁为阴极A、以导电材料为阴极B，通过电解地下水产生的氢气和氧气在催化剂作用下原位产生过氧化氢，在亚铁离子及pH=3~3.5的弱酸性条件下产生高强氧化物将地下水中的污染有机物氧化降解以实现对有机污染地下水的原位修复，所述亚铁离子由铁的阴极A在电化学作用下自动形成的pH=3~3.5的弱酸条件下原位产生。

2.根据权利要求1所述的铁阴极电芬顿地下水修复方法，其特征在于采用如下具体步骤：

①自下向上依次安装阳极、阴极A和阴极B，并在阴极A和阴极B之间设置变阻器，阳极与阴极A之间的距离为2~40cm，阴极A与阴极B之间的距离为4~80cm；将负载钯催化剂紧靠阴极A填充于阴极A与阴极B之间，填充厚度为1~5cm，负载钯催化剂中的钯的质量比含量为0.5~5%；三个电极和催化剂组成一体式反应器安装在井中，并通过水泵与外界连通循环；

②通过调节阴极A和阴极B之间的变阻器，使60%~70%的电流通过阴极A，30%~40%电流通过阴极B，使阴极A周围的区域成为pH=3~3.5的弱酸性，阴极A，即铁阴极将会在此弱酸性条件下原位产生亚铁离子；

③有机污染地下水在泵的作用下进入一体化反应器依次通过阳极、阴极A、催化剂和阴极B；地下水先通过阳极被阳极产生的氧气饱和，随后地下水进入阴极A和催化剂弱酸性区域，电解地下水产生的氢气和氧气在催化剂作用下转化为过氧化氢，并在pH为3~3.5弱酸性条件下与亚铁离子结合产生强氧化性物质羟自由基，将地下水中的有机物氧化分解为无毒有机酸和二氧化碳，使地下水得以修复，最后经过修复后的弱酸性地下水通过阴极B被中和为中性。

3.根据权利要求1或2所述的铁阴极电芬顿地下水修复方法，其特征在于：阳极、阴极A和阴极B的形状为网状或者穿孔板状。

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