電解活性氯殺菌在水處理中的進(jìn)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

　　1、引言

　　投加殺菌劑是控制微生物生長(zhǎng)的常用且有效的方法。殺菌劑通常分為氧化型和非氧化型，氧化型殺菌劑一般包括臭氧、氯系殺菌劑、二氧化氯、溴系殺菌劑等，典型的特征是殺菌劑自身具有氧化性或水解后具有氧化性，這類殺菌劑具有殺菌迅速的特點(diǎn)，常被首選用于各領(lǐng)域的殺菌。非氧化型殺菌劑一般包括季銨鹽、季鏻鹽、戊二醛、異噻唑啉酮等，這類殺菌劑一般作為氧化型殺菌劑的補(bǔ)充，交替用于微生物的控制。作為化學(xué)品，有的殺菌劑在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中存在安全隱患，有的殺菌劑使用后增加水體的COD ，對(duì)環(huán)境不友好。隨著電極材料及工程技術(shù)的日趨成熟，電解活性氯殺菌作為一種“清潔技術(shù)” ，有望在含氯離子的水體中得到快速發(fā)展。電解活性氯殺菌無需加入化學(xué)藥劑，通過持續(xù)電解水中的氯離子產(chǎn)生具有殺菌作用的有效氯。該技術(shù)不引起水中氯離子濃度的增加，從而減少水質(zhì)對(duì)設(shè)備及管道的腐蝕，且具有高效率、低成本、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

　　2、電解活性氯殺菌機(jī)理及電解工藝的研究

　　活性氯是Cl2 、HClO 和ClO－ 三種形式的總和，HClO 和ClO－ 的比例由電解質(zhì)溶液的pH 值決定 。含Cl－ 電解質(zhì)溶液電解時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生次氯酸或次氯酸鹽，并伴隨著析氧副反應(yīng)的發(fā)生。Cl－ 在陽(yáng)極被氧化生成Cl2 （式1） ，Cl2 溶于水生成次氯酸和鹽酸（式2） ，次氯酸和次氯酸鹽之間存在著動(dòng)態(tài)平衡（式3） ，兩者的相對(duì)含量因電解質(zhì)溶液的pH 值而異。活性氯的殺菌效果則取決于原子氧的釋放量（式4 ，5） ，電解產(chǎn)生活性氯所消耗的Cl－ 通過殺菌過程得到再生。因此，利用電解活性氯進(jìn)行殺菌時(shí)，電解質(zhì)溶液的化學(xué)組成基本不變。

　　2Cl－ → Cl2 ＋ 2e－ （1）

　　Cl2 ＋ H2 O → HClO ＋ HCl （2）

　　HClO〈==〉ClO－ ＋ H＋ （3）

　　HClO → O ＋ Cl－ ＋ H＋ （4）

　　ClO－ → O ＋ Cl－ （5）

　　含有氯離子的水電解產(chǎn)生的次氯酸鹽或次氯酸可用于飲用水、工業(yè)循環(huán)冷卻水、海水及醫(yī)用水殺菌。電解氯離子含量高的水（如海水）或向水中添加鹽酸鹽，可產(chǎn)生高濃度的活性氯，其殺菌效果已普遍認(rèn)可，但高濃度氯離子和活性氯會(huì)引起水質(zhì)的腐蝕性增強(qiáng)。為了解決水質(zhì)腐蝕性增強(qiáng)的問題，20 世紀(jì)90 年代開始，研究人員開始研究Cl－ 濃度極低溶液的電解殺菌 。以低Cl－ 濃度水（ppm 級(jí)）為電解質(zhì)溶液進(jìn)行電解活性氯殺菌，電極材料的電流效率是關(guān)鍵因素，電流效率越高，產(chǎn)生的活性氯越多，殺菌效果越好。析氯電極材料多采用DSA（Dimensionally Stable Anodes）型貴金屬氧化物電極，此類電極具有析氯過電位較低、電流效率和產(chǎn)率較高、能耗小等特點(diǎn)。低Cl－ 濃度水電解，不同的電極材料產(chǎn)生活性氯的效率差別很大。Alexander Kraft 等人分別以Ti／IrO2 、Ti／IrO2 －RuO2 、Pt 、摻硼金剛石BDD（Boron － Doped Diamond）為陽(yáng)極電極，對(duì)不同Cl－ 濃度的水進(jìn)行電解。DSA 電極Ti／IrO2 和Ti／IrO2 － RuO2 的電流效率和活性氯產(chǎn)率都明顯高于Pt 電極和摻硼金剛石BDD 電極。當(dāng)Cl－ 濃度為180mg／L 時(shí)，Ti／IrO2 電極的電流效率在10％ 左右，而Pt 電極和BDD 電極的電流效率低于2％ 。Joonseon Jeong 等人研究了Ti／IrO2 、Ti／RuO2 、Ti／Pt － IrO2 、BDD 、Pt 電極材料在低Cl － 濃度水溶液中（1 ．7× 10 － 2 M NaCl）的電化學(xué)特性，得出了相似的結(jié)論，電極材料的活性氯產(chǎn)率順序?yàn)椋篢i／IrO2 ＞ Ti／RuO2 ＞ Ti／Pt － IrO2 ＞ BDD ＞ Pt ，與電極材料的析氯活性（Ti／IrO2＞ Ti／RuO2 ＞ Ti／Pt － IrO2 ＞ BDD ＞ Pt）相一致。在電極材料選定的情況下，電解質(zhì)溶液組成、溫度、流速、pH 值、電流密度、電導(dǎo)率等電解工藝條件是影響電解活性產(chǎn)物產(chǎn)率及電流效率的主要因素。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，還需要兼顧經(jīng)濟(jì)成本。M ．Stadelmann 等人分別以Ti／IrO2 － Ta2 O5 和Pt 電極為陽(yáng)極，研究了Cl－ 濃度、溫度和電流密度對(duì)電解活性氯的影響，Ti／IrO2 － Ta2 O5 電極的催化活性明顯高于Pt 電極。對(duì)于Ti／IrO2 － Ta2 O5 電極，Cl－ 濃度為60mg · dm－ 3 、1500mg · dm － 3 時(shí)的電流效率分別為4 ．6％ 和41 ．5％ ；活性氯的產(chǎn)率隨著溫度的升高（10 ～ 60 ℃ ）而增加，并且與Cl－ 濃度密切相關(guān)；Cl－ 濃度為150mg · dm－ 3 時(shí)的最佳電流密度為40mA ·cm－ 2 。