标题：铁碳微电解
基本概述
铁碳微电解是当将铁屑和碳颗粒浸没在酸性废水中时，由于铁和碳之间的电极电位差，废水中会形成无数个微原电池。这些细微电池是以电位低的铁成为阳极,电位高的碳做阴极,在含有酸性电解质的水溶液中发生电化学反应的。反应的结果是铁受到腐蚀变成二价的铁离子进入溶液。由于铁离子有混凝作用,它与污染物中带微弱负电荷的微粒异性相吸,形成比较稳定的絮凝物(也叫铁泥)而去除，为了增加电位差，促进铁离子的释放,在铁-碳床中加入一定比例铜粉或铅粉。其中电位低的铁成为阳极，电位高的碳成为阴极，在酸性充氧条件下发生电化学反应，其反应过程如下：
阳极(Fe): Fe- 2e→ Fe2+,
阴极(C) : 2H++2e→ 2[H]→H2,
反应中，产生的了初生态的Fe2+和原子H，它们具有高化学活性,能改变废水中许多有机物的结构和特性,使有机物发生断链、开环等作用。
若有曝气，即充氧和防止铁屑板结。还会发生下面的反应：
O2+ 4H+ +4e→2H2O；
O2+ 2H2O+ 4e→4OH－；
2Fe2+ +O2+4H+→2H2O+ Fe3+。
反应中生成的OH－是出水pH值升高的原因，而由Fe2+氧化生成的Fe3+逐渐水解生成聚合度大的Fe(OH)3胶体絮凝剂,可以有效地吸附、凝聚水中的污染物,从而增强对废水的净化效果。
反应原理
电化学反应的氧化还原。
铁屑对絮体的电附集和对反应的催化作用。电池反应产物的混凝，新生絮体的吸附和床层的过滤等作用的综合效应的结果。其中主要作用是氧化还原和电附集，废铁屑的主要成分是铁和碳，当将其浸入电解质溶液中时,由于Fe和C之间存在1.2V的电极电位差,因而会形成无数的微电池系统,在其作用空间构成一个电场，阳极反应生成大量的Fe2+进入废水,进而氧化成Fe3+,形成具有较高吸附絮凝活性的絮凝剂。阴极反应产生大量新生态的[H]和[O],在偏酸性的条件下,这些活性成分均能与废水中的许多组分发生氧化还原反应,使有机大分子发生断链降解,从而消除了有机物尤其是印染废水的色度,提高了废水的可生化度,且阴极反应消耗了大量的H+生成了大量的OH-,这使得废水的pH值也有所提高。
当废水与铁碳接触后发生如下电化学反应:
阳极:Fe-2e—→Fe Eo(Fe/Fe)=0.4
阴极:2H++2e—→H2 Eo(H+/H2)=0V
当有氧存在时,阴极反应如下:
O2+4H++4e—→2H2O Eo(O2)=1.23V
O2+2H2O+4e—→4OH- Eo(O2/OH-)=0.41V
有试验在铁碳反应后加H2O2，阳极反应生成的Fe2+可作为后续催化氧化处理的催化剂,即Fe2+与H2O2构成Fenton试剂氧化体系。阴极反应生成的新生态[H]能与废水中许多组分发生氧化还原反应,破坏染料中间体分子中的发色基团(如偶氮基团),使其脱色。通过铁碳曝气反应,消耗了大量的氢离子,使废水的pH值升高,为后续催化氧化处理创造了条件。
催化氧化原理 向废水中投加适量的H2O2溶液与废水中的Fe2+组成试剂,它具有极强的氧化能力,特别适用于难降解有机废水的治理。Fenton试剂之所以具有极强的氧化能力,是由于HO被Fe催化分解产生·OH(羟基自由基)。
生化性能改善和色度去除的机理
微电解对色度去除有明显的效果。这是由于电极反应产生的新生态二价铁离子具有较强的还原能力,可使某些有机物的发色基团硝基—NO2 、亚硝基—NO 还原成胺基—NH2 ,另胺基类有机物的可生化性也明显高于硝基类有机物;新生态的二价铁离子也可使某些不饱和发色基团(如羧基—COOH、偶氮基-N=N-) 的双键打开,使发色基团破坏而除去色度,使部分难降解环状和长链有机物分解成易生物降解的小分子有机物而提高可生化性。此外,二价和三价铁离子是良好的絮凝剂,特别是新生的二价铁离子具有更高的吸附-絮凝活性,调节废水的pH 可使铁离子变成氢氧化物的絮状沉淀,吸附污水中的悬浮或胶体态的微小颗粒及有机高分子,可进一步降低废水的色度,同时去除部分有机污染物质使废水得到净化。
微电解处理废水自诞生以来，便引起国内外环保研究学者的关注，并进行了大量的研究!已有很多专利和实用技术成果。最近几年，微电解处理工业废水发展十分迅速，现已用于印染、电镀、石油化工、制药、煤气洗涤、印刷电路板生产等工业废水及含砷、含氟废水的处理工程，并收到了良好的经济效益和环保效果。微电解工艺对废水的脱色有良好处理的效果，且以废治废，运行费用低，因此在我国将具有良好的工业应用前景。
目前国内外微电解设备均是固定床，其特点是结构简单，推流性好，但存在不少实用性问题：一是效率不高，反应速度不快；二是床体易板结，造成短路和死区；三是铁屑补充劳动强度大。
内电解法处理工业废水中存在的问题
内电解法对不同结构，不同性质的染料的作用机理各异，需进一步探讨脱色降污作用机理及最佳处理工艺。根据各类染料的特点，尤其处理高浓度废水时，需找出与混凝法、生化法、曝气氧化法等配合的适宜工艺，有效克服该法去除率偏低的缺点。
在解决酸性废水电化腐烛速率高而中性偏酸废水电极吸附及新生铁离子水解、絮凝效果好这矛盾。筛选有效催化剂、助剂使之能在较广PH范围内发挥电化腐烛及絮凝吸附最佳效果。尤其是在酸性废水中，虽脱色率较高，但铁溶出量大，污泥量亦大。要采取有效措施尽量减少污泥量，减低污泥含水率以避免产生二次污染。 选择合适的铁屑活化方法，设计合理的过滤床，解决铁屑易钝化、易结块从而出现沟流等弊端.提高处理效率。
问题及对策
铁床作为一种废水处理装置，目前无论从理论上还是从实践上来讲，都有待进一步完善和改进。在实际运行中，常会出现填料钝化、板结以及出水“返色”等现象，这是在实际工程中必须妥善解决的问题。
1）关于填料钝化问题
铁床经过一段时间的运行后，填料表面会形成钝化膜，废水中的悬浮颗粒也会部分沉积在填料表面上，这样就阻隔了填料与废水的有效接触，导致铁床处理效果降低。铁床的运行周期应通过实际运行确定，一般为20 d左右，浸洗活化时间可采用2-3 h。
2）关于填料板结问题
铁床填料的板结除了导致铁床内部废水流态恶化致使处理效果降低外，还会使填料更换的难度大大增加。
通过在铁床填料中加入适当的辅料可以有效避免填料出现板结现象，同时也有利于气、液、固砚相充分接触，提高处理效果。辅料可选用X50聚乙烯多面空心球。
采用流化床装置也能较好地解决铁床填料的板结问题。但高的投资费用、运行费用及操作管理要求使此种装置的应用受到一定限制。
铁碳内电解柱运行一段时间后,铁屑易结块,出现沟流等现象,大大影响了处理效果。目前吴全义等采用铁屑高频结孔技术可有效防止铁屑结块现象的发生,但此技术有待进一步的研究和完善。
采用铁、炭流化床反应器对染料废水进行预处理,克服了固定床铁炭反应器表面易钝化、填料易结块及运行效果随运行时间的延长而逐步降低的不足。
在对反应器内部结构作适当调整后,可以方便地将传统的固定床工艺改造为流化床工艺。这样,不仅可提高预处理效果,而且大大方便了设施操作和运行管理。
3）关于铁床出水“返色”问题
一些染料废水经铁床脱色后，在较短时间内出现颜色逐渐加深的现象。关于这种“返色”现象的原因，普遍认同的观点是:铁床填料和废水反应，破坏了染料分子的发色或助色基团，但染料分子只是转变成了无色的小分子有机物，仍旧存在于废水中，这些小分子有机物具有一定的逆反应趋势。但通过实验作者发现，对于一些类型的染料废水，当中和沉降pH值为8-8 . 5时，这种“返色”现象除表现在废水颜色逐渐加深外，废水还会逐渐变浑浊，较长时间静置后，会出现少量较深颜色的沉淀物。经分析，此为Fe (OH)3沉淀。这种现象很容易解释:Fe2+被氧化成了Fe3+，而它们的水解产物Fe(OH )2和Fe(OH ) 3的溶度积常数相差1021倍以上。
基于以上分析，作者认为，Fe2+末完全去除会在一定程度上加剧这种“返色”现象。因此，解决铁床出水“返色”问题，除应考虑在后续处理工艺中彻底脱除发色母体外，还应在中和沉降时调节pH值至9以上，使Fe2+完全沉淀或加人适当的氧化剂(如O2、H2O2和O3等)使Fe2+迅速被氧化成Fe3+后以Fe (0H)3胶体形式析出。
4）铁碳法通常是在酸性条件下进行的,但酸性条件下,溶出的铁屑量大,加碱中和时产生的沉淀物多,增加了脱水工序的负担,而且废渣的处理也成了问题。目前一般将废渣送至炼铁厂处置或掺合制作建筑材料。