电解活性氯杀菌在水处理中的进展现状及未来趋势

　　1、引言

　　投加杀菌剂是控制微生物生长的常用且有效的方法。杀菌剂通常分为氧化型和非氧化型，氧化型杀菌剂一般包括臭氧、氯系杀菌剂、二氧化氯、溴系杀菌剂等，典型的特征是杀菌剂自身具有氧化性或水解后具有氧化性，这类杀菌剂具有杀菌迅速的特点，常被首选用于各领域的杀菌。非氧化型杀菌剂一般包括季铵盐、季鏻盐、戊二醛、异噻唑啉酮等，这类杀菌剂一般作为氧化型杀菌剂的补充，交替用于微生物的控制。作为化学品，有的杀菌剂在生产和运输过程中存在安全隐患，有的杀菌剂使用后增加水体的COD ，对环境不友好。随着电极材料及工程技术的日趋成熟，电解活性氯杀菌作为一种“清洁技术” ，有望在含氯离子的水体中得到快速发展。电解活性氯杀菌无需加入化学药剂，通过持续电解水中的氯离子产生具有杀菌作用的有效氯。该技术不引起水中氯离子浓度的增加，从而减少水质对设备及管道的腐蚀，且具有高效率、低成本、对环境友好等优点。

　　2、电解活性氯杀菌机理及电解工艺的研究

　　活性氯是Cl2 、HClO 和ClO－ 三种形式的总和，HClO 和ClO－ 的比例由电解质溶液的pH 值决定 。含Cl－ 电解质溶液电解时，阳极产生次氯酸或次氯酸盐，并伴随着析氧副反应的发生。Cl－ 在阳极被氧化生成Cl2 （式1） ，Cl2 溶于水生成次氯酸和盐酸（式2） ，次氯酸和次氯酸盐之间存在着动态平衡（式3） ，两者的相对含量因电解质溶液的pH 值而异。活性氯的杀菌效果则取决于原子氧的释放量（式4 ，5） ，电解产生活性氯所消耗的Cl－ 通过杀菌过程得到再生。因此，利用电解活性氯进行杀菌时，电解质溶液的化学组成基本不变。

　　2Cl－ → Cl2 ＋ 2e－ （1）

　　Cl2 ＋ H2 O → HClO ＋ HCl （2）

　　HClO〈==〉ClO－ ＋ H＋ （3）

　　HClO → O ＋ Cl－ ＋ H＋ （4）

　　ClO－ → O ＋ Cl－ （5）

　　含有氯离子的水电解产生的次氯酸盐或次氯酸可用于饮用水、工业循环冷却水、海水及医用水杀菌。电解氯离子含量高的水（如海水）或向水中添加盐酸盐，可产生高浓度的活性氯，其杀菌效果已普遍认可，但高浓度氯离子和活性氯会引起水质的腐蚀性增强。为了解决水质腐蚀性增强的问题，20 世纪90 年代开始，研究人员开始研究Cl－ 浓度极低溶液的电解杀菌 。以低Cl－ 浓度水（ppm 级）为电解质溶液进行电解活性氯杀菌，电极材料的电流效率是关键因素，电流效率越高，产生的活性氯越多，杀菌效果越好。析氯电极材料多采用DSA（Dimensionally Stable Anodes）型贵金属氧化物电极，此类电极具有析氯过电位较低、电流效率和产率较高、能耗小等特点。低Cl－ 浓度水电解，不同的电极材料产生活性氯的效率差别很大。Alexander Kraft 等人分别以Ti／IrO2 、Ti／IrO2 －RuO2 、Pt 、掺硼金刚石BDD（Boron － Doped Diamond）为阳极电极，对不同Cl－ 浓度的水进行电解。DSA 电极Ti／IrO2 和Ti／IrO2 － RuO2 的电流效率和活性氯产率都明显高于Pt 电极和掺硼金刚石BDD 电极。当Cl－ 浓度为180mg／L 时，Ti／IrO2 电极的电流效率在10％ 左右，而Pt 电极和BDD 电极的电流效率低于2％ 。Joonseon Jeong 等人研究了Ti／IrO2 、Ti／RuO2 、Ti／Pt － IrO2 、BDD 、Pt 电极材料在低Cl － 浓度水溶液中（1 ．7× 10 － 2 M NaCl）的电化学特性，得出了相似的结论，电极材料的活性氯产率顺序为：Ti／IrO2 ＞ Ti／RuO2 ＞ Ti／Pt － IrO2 ＞ BDD ＞ Pt ，与电极材料的析氯活性（Ti／IrO2＞ Ti／RuO2 ＞ Ti／Pt － IrO2 ＞ BDD ＞ Pt）相一致。在电极材料选定的情况下，电解质溶液组成、温度、流速、pH 值、电流密度、电导率等电解工艺条件是影响电解活性产物产率及电流效率的主要因素。此外，在实际应用中，还需要兼顾经济成本。M ．Stadelmann 等人分别以Ti／IrO2 － Ta2 O5 和Pt 电极为阳极，研究了Cl－ 浓度、温度和电流密度对电解活性氯的影响，Ti／IrO2 － Ta2 O5 电极的催化活性明显高于Pt 电极。对于Ti／IrO2 － Ta2 O5 电极，Cl－ 浓度为60mg · dm－ 3 、1500mg · dm － 3 时的电流效率分别为4 ．6％ 和41 ．5％ ；活性氯的产率随着温度的升高（10 ～ 60 ℃ ）而增加，并且与Cl－ 浓度密切相关；Cl－ 浓度为150mg · dm－ 3 时的最佳电流密度为40mA ·cm－ 2 。

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