Con l'industrializzazione accelerata, l'alta-concentrazione e le acque reflue recalcitranti scaricate da settori quali quello della tintura, dei prodotti farmaceutici e dei prodotti chimici sono diventati un grave problema di inquinamento ambientale. I metodi tradizionali di trattamento biologico sono inefficienti per le acque reflue altamente tossiche e cromatiche, mentre le tecnologie avanzate di ossidazione devono far fronte a costi elevati. La microelettrolisi-del carbonio-del ferro (micro-elettrolisi Fe/C), come processo di pretrattamento fisico-chimico ecologico e a basso-consumo, migliora significativamente la biodegradabilità delle acque reflue e degrada in modo efficiente gli inquinanti attraverso l'effetto sinergico della riduzione dell'ossidazione-elettrochimica, diventando una svolta tecnologica fondamentale nei sistemi di trattamento delle acque reflue industriali.
Principi tecnici
Negli anni '70, la tecnologia dell'elettrolisi del ferro-carbonio-fu applicata per la prima volta al trattamento delle acque reflue. Poiché la tecnologia di micro-elettrolisi è in linea con il concetto di protezione ambientale di "trattare i rifiuti con rifiuti", ha un elevato rapporto costo-efficacia e buoni risultati di trattamento, ora è ampiamente utilizzata per trattare vari tipi di acque reflue industriali. Il meccanismo di reazione per la rimozione degli inquinanti mediante la tecnologia di microelettrolisi del ferro-carbonio- è mostrato nella Figura 4, che comprende principalmente reazioni di ossidazione-riduzione, flocculazione e adsorbimento, arricchimento elettrochimico e adsorbimento fisico.
1) Reazioni di ossidazione-riduzione
La tecnologia dell'elettrolisi del ferro-carbonio- colloca il ferro (anodo) e il carbonio (catodo) nelle acque reflue industriali per formare una cella galvanica, generando una serie di sostanze ossidanti e riducenti per degradare gli inquinanti nelle acque reflue. Il potenziale dell'elettrodo dell'anodo di ferro, E(Fe/Fe{2+), è -0,44 V, creando una differenza di potenziale di 1,2 V con il catodo di carbonio, consentendo che si verifichino reazioni elettrodiche su entrambi gli elettrodi.
2) Flocculazione e adsorbimento.
Durante la reazione di micro-elettrolisi, il metallo dell'anodo si corrode generando ioni metallici. In condizioni alcaline, questi ioni metallici formano fiocchi di idrossido con un'ampia area superficiale specifica, che possono assorbire rapidamente la materia organica disciolta e le particelle organiche sospese nelle acque reflue industriali. Quando la densità dei fiocchi è maggiore della densità delle acque reflue, la separazione solido-liquido può essere ottenuta mediante aerazione, flottazione o sedimentazione.
3) Arricchimento elettrochimico.
Durante il processo di micro-elettrolisi, si verificano reazioni tra gli elettrodi sull'anodo e sul catodo, creando un campo elettrico stabile tra di loro. Le particelle cariche e i colloidi nelle acque reflue si muovono secondo il principio delle cariche opposte che si attraggono sotto l'attrazione elettrostatica, dando luogo all'elettroforesi. Alla fine, le particelle cariche e i colloidi si accumulano sugli elettrodi, ottenendo la rimozione delle sostanze cariche dall’acqua attraverso l’aggregazione elettrochimica.
4) Adsorbimento fisico.
Attualmente, il carbone attivo (AC) viene utilizzato principalmente come materiale catodico nell'imballaggio per micro-elettrolisi. I suoi numerosi pori interni gli conferiscono una forte capacità di assorbimento, assorbendo efficacemente sia gli inquinanti organici che gli ioni di metalli pesanti nelle acque reflue.
La tecnologia dell'elettrolisi del ferro-carbonio-è ampiamente utilizzata nel trattamento di varie acque reflue industriali.
Le condizioni di processo ottimali per il trattamento delle acque reflue con sale di diazonio utilizzando la tecnologia dell'elettrolisi di ferro-carbonio- sono: temperatura ambiente, pH iniziale delle acque reflue=2, rapporto liquido-a-solido 12:5 e tempo di reazione 2,0 ore. In queste condizioni, il tasso di rimozione del COD raggiunge il 60,28%.
Per trattare le acque reflue di tintura e stampa è stato utilizzato un processo di micro-elettrolisi che utilizza ferro-carbonio. In condizioni di reazione ottimali, i tassi di rimozione di COD, torbidità, colore, azoto ammoniacale e TOC nelle acque reflue erano rispettivamente 75,48%, 87,88%, 75,34%, 92,01% e 81,09%. Il processo è stato confermato dalla spettrometria di massa spettroscopica e gascromatografica-per decomporre in modo efficiente gli inquinanti come esteri e alcoli, convertendoli in piccole-molecole inquinanti organici che possono essere facilmente trattati biochimicamente.
Per pretrattare le acque reflue della raffineria è stato utilizzato un sistema di micro-elettrolisi che utilizza ferro zero-valente e carbone attivo granulare. In condizioni di pH=3, dosaggio di ferro zero-valente di 30 g/L, dosaggio di carbone attivo granulare di 5,75 g/L e tempo di reazione di 15 minuti, il sistema ha raggiunto un tasso di rimozione del COD del 38,3% per le acque reflue della raffineria.
Parametri chiave del processo
1. Controllo del pH:
Ambiente acido (pH=2~3): migliora la reazione di evoluzione dell'idrogeno nel catodo e promuove la formazione di [H], ma è necessario valutare il rischio di corrosione dell'apparecchiatura.
Transizione neutra: il pH deve essere regolato su 8-9 per consentire una sufficiente flocculazione e precipitazione degli ioni ferro.
2. Struttura di imballaggio innovativa:
Design anti-agglomerante: utilizza particelle composite di ferro-carbonio (come Fe/C@Al₂O₃) o reattori a letto fluido per ridurre la passivazione dell'impaccamento.
Modifica catalitica: il caricamento di metalli come Cu e Mn migliora l'efficienza del trasferimento di elettroni (il tasso di rimozione del COD può essere aumentato del 15%-20%).
3. Controllo dinamico dell'aerazione:
Il rapporto aria-a-acqua da 3:1 a 5:1 previene l'aggregazione e fornisce ossidante.
La modalità di aerazione intermittente (10 minuti di aerazione, 20 minuti di spegnimento) può far risparmiare il 30% del consumo energetico.
4. Parametri di progettazione dell'ingegneria dell'imballaggio:
Particle Size Distribution: The packing particle size should not be too small. It is recommended to use 2-5cm shuttle-shaped packing with a porosity >60% and a strength >600Kg/m².
Altezza di impilamento dell'imballaggio: consigliata a 2,0-3,0 m per evitare un'eccessiva densità dell'imballaggio.
Altezza netta: altezza effettiva del reattore 1,2-1,5 m, con spazio di espansione del 20%.
Rapporto di massa ferro-carbonio: da 3:1 a 5:1, aumenta il rapporto di carbonio per carichi organici elevati.
Accoppiamento tecnologico
1. Co-processo di micro-elettrolisi-Fenton (ME-Fenton)
Utilizzo del Fe²⁺ generato dalla micro-elettrolisi per catalizzare H₂O₂ in situ: Vantaggi: nessuna necessità di sali di ferro esterni, produzione di fanghi ridotta del 40%, adatto per acque reflue ad alta-concentrazione con COD > 5000 mg/l.
2. Combinazione di micro-elettrolisi-metodo biologico (ME-BAF)
Flusso del processo: cella di micro-elettrolisi → Sedimentazione di neutralizzazione → Filtro biologico aerato (BAF)
Effetti sinergici:
La micro-elettrolisi rimuove le sostanze biotossiche (come formaldeide e fenolo)
Migliora la biodegradabilità delle acque reflue (BOD₅/COD aumenta da 0,15 a 0,35-0,45)
Rimozione profonda della materia organica solubile mediante metodi biologici
3. Tecnologia di separazione a membrana di micro-elettrolisi-
ME-UF/MF: i fiocchi di micro-elettrolisi servono come pretrattamento prima del trattamento della membrana, riducendo le incrostazioni della membrana e aumentando il tasso di recupero del flusso del 25%.
Tendenze di sviluppo futuro
1. Integrazione dei processi:
"Micro-elettrolisi-Membrane Bioreactor" (ME-MBR): pretrattamento di micro-elettrolisi + miglioramento biochimico + separazione tramite membrana raggiungono emissioni quasi-zero.
2. Funzionalizzazione dei materiali:
Materiale composito nano-zero-ferro valente-carbonio: area superficiale specifica aumentata a 200 m²/g, velocità di reazione aumentata di 3 volte.
3. Controllo intelligente:
Sistema di ottimizzazione dinamica AI: regola il pH e il tasso di aerazione in tempo reale in base ai dati del sensore di qualità dell'acqua, riducendo il consumo di energia del 15%~25%.