Com a industrialização acelerada, a alta-concentração e as águas residuais recalcitrantes descartadas de indústrias como tinturaria, farmacêutica e química tornaram-se um problema central de poluição ambiental. Os métodos tradicionais de tratamento biológico são ineficientes para águas residuais altamente tóxicas e cromáticas, enquanto as tecnologias avançadas de oxidação enfrentam o gargalo dos custos elevados. A microeletrólise-de carbono-de ferro (microeletrólise Fe/C-), como um processo de pré-tratamento físico-químico verde e de baixo-consumo, melhora significativamente a biodegradabilidade das águas residuais e degrada eficientemente os poluentes por meio do efeito sinérgico da redução da oxidação-eletroquímica, tornando-se um avanço tecnológico fundamental em sistemas de tratamento de águas residuais industriais.
Princípios Técnicos
Na década de 1970, a tecnologia de microeletrólise de ferro-carbono-foi aplicada pela primeira vez ao tratamento de águas residuais. Como a tecnologia de micro{4}}eletrólise se alinha ao conceito de proteção ambiental de "tratar resíduos com resíduos", tem uma alta relação custo-efetividade e bons resultados de tratamento, agora é amplamente utilizada para tratar vários tipos de águas residuais industriais. O mecanismo de reação para remoção de poluentes pela tecnologia de microeletrólise de ferro-carbono-é mostrado na Figura 4, incluindo principalmente reações de oxidação-redução, floculação e adsorção, enriquecimento eletroquímico e adsorção física.
1) Reações de oxidação-de redução
A tecnologia de microeletrólise de ferro-carbono-coloca ferro (ânodo) e carbono (cátodo) em águas residuais industriais para formar uma célula galvânica, gerando uma série de substâncias oxidantes e redutoras para degradar os poluentes nas águas residuais. O potencial do eletrodo do ânodo de ferro, E(Fe/Fe2+), é -0,44V, criando uma diferença de potencial de 1,2V com o cátodo de carbono, permitindo que reações do eletrodo ocorram em ambos os eletrodos.
2) Floculação e Adsorção.
Durante a reação de micro{0}}eletrólise, o metal do ânodo sofre corrosão para gerar íons metálicos. Sob condições alcalinas, esses íons metálicos formam flocos de hidróxido com uma grande área superficial específica, que podem adsorver rapidamente matéria orgânica dissolvida e partículas orgânicas suspensas nas águas residuais industriais. Quando a densidade do floco é maior que a densidade das águas residuais, a separação de sólidos-líquidos pode ser alcançada por meio de aeração, flotação ou sedimentação.
3) Enriquecimento Eletroquímico.
Durante o processo de micro-eletrólise, ocorrem reações de eletrodo no ânodo e no cátodo, criando um campo elétrico estável entre eles. Partículas carregadas e colóides em águas residuais movem-se de acordo com o princípio de cargas opostas que se atraem sob atração eletrostática, resultando em eletroforese. Em última análise, as partículas carregadas e os colóides acumulam-se nos eléctrodos, conseguindo a remoção de substâncias carregadas da água através da agregação electroquímica.
4) Adsorção física.
Atualmente, o carvão ativado (CA) é usado principalmente como material catódico em embalagens de micro{0}eletrólise. Os seus numerosos poros internos conferem-lhe uma forte capacidade de adsorção, adsorvendo eficazmente tanto poluentes orgânicos como iões de metais pesados nas águas residuais.
A tecnologia de microeletrólise de ferro-carbono-é amplamente utilizada no tratamento de vários efluentes industriais.
As condições de processo ideais para o tratamento de águas residuais com sal de diazônio usando a tecnologia de microeletrólise de ferro-carbono-são: temperatura ambiente, pH inicial das águas residuais=2, proporção de líquido-para{4}}sólido 12:5 e tempo de reação 2,0 h. Nessas condições, a taxa de remoção de DQO chega a 60,28%.
Um processo de micro{0}}eletrólise usando ferro-carbono foi usado para tratar águas residuais de tingimento e impressão. Sob condições de reação ideais, as taxas de remoção de DQO, turbidez, cor, nitrogênio amoniacal e COT nas águas residuais foram de 75,48%, 87,88%, 75,34%, 92,01% e 81,09%, respectivamente. O processo foi confirmado por espectroscopia e cromatografia gasosa-espectrometria de massa para decompor eficientemente poluentes como ésteres e álcoois, convertendo-os em pequenas-moléculas poluentes orgânicas que são facilmente tratadas bioquimicamente.
Um sistema de micro{0}}eletrólise usando ferro-de valência zero e carvão ativado granular foi usado para pré-tratar águas residuais de refinaria. Sob condições de pH=3, dosagem de ferro zero-valente de 30 g/L, dosagem de carvão ativado granular de 5,75 g/L e tempo de reação de 15 min, o sistema alcançou uma taxa de remoção de DQO de 38,3% para águas residuais de refinaria.
Parâmetros-chave do processo
1. Controle de pH:
Ambiente ácido (pH=2~3): Melhora a reação de evolução do hidrogênio no cátodo e promove a formação de [H], mas o risco de corrosão do equipamento deve ser ponderado.
Transição Neutra: O pH precisa ser ajustado para 8-9 para permitir floculação e precipitação suficientes de íons de ferro.
2. Estrutura de embalagem inovadora:
Projeto anti{0}}aglomerante: Use partículas compostas de ferro-carbono (como Fe/C@Al₂O₃) ou reatores de leito fluidizado para reduzir a passivação do empacotamento.
Modificação Catalítica: O carregamento com metais como Cu e Mn melhora a eficiência da transferência de elétrons (a taxa de remoção de DQO pode ser aumentada em 15%-20%).
3. Controle Dinâmico de Aeração:
A proporção de ar{0}}para{1}}água de 3:1 a 5:1 evita aglomeração e fornece oxidante.
O modo de aeração intermitente (aeração de 10 minutos, desligamento de 20 minutos) pode economizar 30% do consumo de energia.
4. Parâmetros de projeto de engenharia de embalagem:
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.
Altura de empilhamento da embalagem: Recomendada de 2,0-3,0m para evitar densidade excessiva de embalagem.
Altura líquida: Altura efetiva do reator 1,2-1,5m, com 20% de espaço de expansão.
Proporção de massa de ferro-carbono: 3:1 a 5:1, aumenta a proporção de carbono para altas cargas orgânicas.
Acoplamento de Tecnologia
1. Processo de micro-eletrólise-Fenton (ME-Fenton) Co-
Utilizando Fe²⁺ gerado por micro{0}}eletrólise para catalisar H₂O₂ in situ: Vantagens: Não há necessidade de sais de ferro externos, produção de lodo reduzida em 40%, adequado para águas residuais de alta-concentração com DQO > 5.000 mg/L.
2. Combinação de micro-eletrólise-método biológico (ME-BAF)
Fluxo do Processo: Célula de micro-eletrólise → Sedimentação de neutralização → Filtro biológico aerado (BAF)
Efeitos sinérgicos:
A micro-eletrólise remove substâncias biotóxicas (como formaldeído e fenol)
Melhora a biodegradabilidade das águas residuais (DBO₅/DQO aumenta de 0,15 para 0,35-0,45)
Remoção profunda de matéria orgânica solúvel por métodos biológicos
3. Tecnologia de micro-eletrólise-de separação por membrana
ME-UF/MF: Os flocos de micro{1}}eletrólise servem como pré-tratamento antes do tratamento da membrana, reduzindo a incrustação da membrana e aumentando a taxa de recuperação de fluxo em 25%.
Tendências de Desenvolvimento Futuro
1. Integração de Processos:
"Biorreator de micro-eletrólise-de membrana" (ME-MBR): pré-tratamento de micro-eletrólise + aprimoramento bioquímico + separação de membrana atinge emissões próximas de-zero.
2. Funcionalização de Materiais:
Material composto de nano-ferro-valente-de carbono: área de superfície específica aumentada para 200 m²/g, taxa de reação aumentada em 3 vezes.
3. Controle Inteligente:
Sistema de Otimização Dinâmica AI: Ajusta o pH e a taxa de aeração em tempo real com base nos dados do sensor de qualidade da água, reduzindo o consumo de energia em 15% ~ 25%.