电化学除铁用于建筑物的供水系统

吴星五, 高廷耀
(同济大学城市污染控制国家工程研究中心，上海200092)

　　摘　要：提出一种利用电化学除铁的水处理新技术，不需添加化学药剂且无二次污染，其作用机理是利用阳极(不溶性)反应产生的新生态氧和溶解氧将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，进而水解形成氢氧化铁胶体，再通过砂滤去除。阴极反应生成的OH-引起pH值上升，提高了氧化速度；产生的微气泡促使高铁胶体集聚成较大的颗粒，改善了过滤条件。电流密度越高除铁能力越强，但电流效率下降。试验采用的电流密度为4.0mA/cm²、通电率为50C/L，水流通 过单程处理，含铁量由4.0mg/L降至0.3mg/L以下。采用循环处理方法可有效清除水箱黄锈水，其耗电量≤0.02(kW·h)/m3，适用于城市建筑物的供水系统。
　　关键词：水处理；除铁；电化学?
　　中图分类号：TU991
　　文献标识码：A
　　文章编号：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统由于管道锈蚀等原因，流出的自来水往往因含铁量高而发黄、发浑且带铁腥味，给人们的生活和工作带来极大的困扰，即使采用市售的各类净水器也难以解决问题，其中滤芯会很快失效；若拆除旧管道重新安装则费用高且施工困难。?
　　传统的除铁水处理采用的是氧化加过滤的方法，但曝气和加药设备不适用于水箱系统。也有用溶解性铁或铝电极电解水除铁的报道，但这会增加水中金属离子和形成大量絮状沉淀物，增加后续处理的负担。作者采用不溶性的金属阳极电解，利用电化学反应产生的溶解氧将水中二价铁氧化成三价铁，不需任何化学药剂且无二次污染，可以根据水中含铁量调节供电量，使处理水达到自来水水质标准。?

1　试验装置和方法

　　试验装置如图1所示。

　　处理器采用有机玻璃外壳，内径为48mm，长为200mm；阳极采用表面涂钌的不溶性钛板，阴极为不锈钢板，阳极工作面积为120 cm²，极板间距为3mm。电极的上部留有空间以保证产生的溶解氧在水中均匀分布。过滤器内径为48mm，长为400mm，滤料是直径为0.5～1.0mm的石英砂，滤层厚为300mm，水箱容积为30L。?
　　采用城市旧管道系统流出的自来水为原水，水中总铁含量为0～6.0mg/L，平均为4.0mg/L。有两条试验水路，一条从自来水龙头取水，单程通过流量计、处理器和过滤器后排出；另一条为用泵从水箱中抽水，经处理和过滤后送回水箱进行循环处理。前者在龙头处和过滤器出水口处取样分析，后者在水箱中取样，采用二氮杂菲—分光光度法测定总铁。?

2 　结果和讨论

2.1 电流密度对除铁效果的影响
　　水流以0.3cm/s的速度单程通过处理器和过滤器，水中总铁含量随电流密度的变化如图2所示。?

　　由图2可见，电流密度增加含铁量降低，电流密度＞4.0mA/cm²时铁基本被除掉。经过3d的间断运行后除铁效果有所提高，而处理器出水口处的［Fe³⁺］/［Fe²⁺］、色度和浊度均无大改变，除铁效果的提高主要是过滤能力增强所致。通过观察发现滤料的表面产生了棕黄色的氧化铁膜。根据接触氧化的原理，氧化铁膜能吸附水中二价铁离子，并将其催化氧化成三价铁，同时膜能增强对悬浮颗粒的拦截。
2.2 水流速度对除铁效果的影响
　　图3是电流密度为3.5mA/cm²，改变处理器内水流速度的试验结果。

　　图3显示，随着水流速度的增加除铁率呈线性下降。由此推断，水流速度为0.25cm/s时产生 的溶解氧恰好能满足氧化二价铁的需求，随着水流速度的增加，溶解氧被稀释，导致氧化效率下降，但水流速度增加4倍(即溶解氧浓度被稀释4倍)，除铁率仅下降15%，由此认为氧化主要发生在阳极附近。因为水流速度增加，经过阳极区的水量在总流量中所占的比例不变，而这部分水保持较高的除铁率，据此推断增大阳极面积可以提高除铁效率。 ?
2.3 不同通电率时的除铁率和电流效率
　　由于水流单程通过试验的除铁效果受电流和水流状态的综合影响，为此可将除铁率和电流效率(η)看作每升水通入的库仑电量的函数。计算电流效率时，将实际除去的铁量乘以0.14作为实际耗氧量；将通过阳极板的电流视为全部用于产生氧气，计算理论供氧量，通过式 (1)计算电流效率：?
?　η=除铁耗氧量/理论供氧量×100%?
　　　=[0.14·ΔFe·F·Z·Q]/[I·t·M·1000] ×100% 　　(1)
　　式中 ΔFe——除铁量，mg/L?
　　　　?I——电流，A?
　　　　?t?——时间，s?
　　　　?M——氧相对原子质量?
　　　　?Z——反应电子数?
　　　　?Q——t时间通过的水量，L?
　　不同通电率对除铁率和电流效率的影响如图4所示。?

　　由图4可见，通电率越大除铁率越高。通电率＜50C/L时，很小的通电率就有除铁效果，并且除铁率随着通电率的增大迅速提高；通电率为50C/L左右除铁率＞95%；而通电率＞50/L后，除铁率稳定在较高水平。与此相对，通电率低时电流效率较高，产生的溶解氧基本都用于氧化二价铁，但电流效率随通电率增加迅速下降；通电率＞50C/L后电流效率较低，因为水中的二价铁基本上已全被氧化，阳极产生的氧仅形成气泡和增加溶解氧含量。实际应用时，应该根据处理水的流量和含铁量来调节电流的大小，在水中含铁量较高的场合才加大通电率以提高电流效率。值得注意的是，虽然图4显示加大通电率后电流效率下降，但计算时只考虑了Fe²⁺氧化的质量平衡，而根据式(1)可知，为保证达到较高的氧化速度必须有过剩的溶解氧和OH^-离子，而产生这部分物质的电流没有计入。同时在确定水流量的试验条件下，增加通电率意味着增大电流密度，必然引起电极电位增高，当电极电位高于水中有机物的分解电压时，部分电流将作用于降解有机物。另外，电解产生的活性物质还起到杀灭水中细菌的作用。按电压为5V、电流为0.5A、水流量为500mL/min折算，水流单程通过试验系统的吨水耗电量为0.08kW·h。?
2.4 循环水处理试验
　　在图1所示试验装置的水箱中盛10L自来水，处理器以水流量为500mL/min、电流密度为3.0mA/cm²进行循环处理试验，水中总铁含量随处理时间的变化如图5所示。图5显示，20min时大部分铁已经被除掉，随着处理时间增加水中含铁量不断降低。?
　　从图4和分析结果可知，在保证处理水质达到要求的前提下，降低电流密度和加大水流量(即采用较小的通电率)可以提高水流单程通过处理的用电效率。再结合图5可推断，在不必一次将铁除净的场合，采用较小的电流密度和较大的水流速度进行循环处理，逐渐达到要求的处理方法比较经济合理。根据这个原理，同时注意增大电极面积，对处理设备加以改造并进行了现场试验。某大楼20m³水箱由于进水管道被腐蚀引起水体发黄，为解决此问题实施了 除铁循环水处理。用泵从水箱中抽水，经过处理后再返送回水箱。处理的水流量为1m³/h，电流密度为3.0mA/cm²、总电流为6A，石英砂滤层的直径为500mm、厚度为700mm。处理过程中水箱的进水和出水保持使用状态，用水量约为60m³/d。在出水口取样测定水质，结果见表1。

表1 　处理水质 项 目 6月1日初装 6月3日 6月5日 Cl-(mg/L) 40 42.1 40 pH 6.5 7.0 7.5 总铁(mg/L) 14.4 1.35 0.34 总硬度(mg/L)(CaCO₃) 247.2 217.2 219.2 电导率(mS/cm) 0.750 0.732 0.729 HCO3^-(mg/L) 15 145 160 细菌总数(个/L) 10⁴ 10³ 30 注：处理过程中自来水不断进出水箱，保持正常供水。

　　表1显示，经过5d的处理水中硬度、碱度和Cl^-等基本不变，pH值增高而含铁量大大降低，水中的细菌基本被杀灭。处理7d后乃至连续运行数月，尽管水箱进水口处总铁含量＞4.5mg/L，出水口处的总铁量保持低于0.3mg/L。同时，水中的含锰量也被降低。
　　经过一段时间运行后，过滤器的滤层会被拦截下来的铁泥堵塞，使出水速度降低，为此需定期对过滤器进行反冲洗以恢复正常使用。按电压为8V、电流为6A、处理水量为60m³/d，单位除铁量为4.0g/m³计算，耗电量为0.02(kW·h)/m³，电流效率＞78.0%。

3 结论

　　①电化学除铁的作用机理为利用电解时阳极产生的新生态氧和溶解氧将亚铁氧化成三价铁，再通过砂滤将析出的低溶解度铁的氢氧化物滤除。?
　　②采用表面涂层添加贵金属的钛板作阳极催化产生强氧化剂，工作过程中电极自身不溶解，对水体无二次污染。?
　　③阴极反应生成的OH^-使pH值上升，提高了氧化速度。?
　　④电解过程产生的微气泡促使高铁胶体集聚成较大的絮状颗粒，改善了过滤条件。?
　　⑤电流密度越高除铁能力越强，但电流效率下降。
　　⑥在电流密度为4.0mA/cm²、通电率＞50C/L、水流单程通过的工作条件下，处理水的含铁量可由4.0mg/L降至0.3mg/L以下。?　⑦ 利用所开发的设备循环处理城市建筑物水箱水，有效地解决了黄锈水问题，耗电量≤0.02(kW·h)/m³，电流效率＞78.0%。

参考文献：

　　［1］李圭白，刘超.地下水除铁除锰［M］.北京：中国建筑工业出版社，1989.
　　［2］许建华，杨人隽，王嘉宝.水的特种处理［M］.北京：同济大学出版社，198 9.
　　［3］冯敏.工业水处理技术［M］.北京：海洋出版社，1992.
　　［4］张林生，Hahn H.铂电极电解气浮的研究［J］.中国给水排水，1993，9(6)：4-9.

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　　作者简介：吴星五(1952-)，男，浙江杭州人，同济大学副教授，博士，主要从事水处理技术研究。
　　电　　话：(021)65982365(O) 65013936(H)
　　传　　真：(021)65017386?
　　收稿日期：2001-10-04