檔案i-33-單元操作7-電解

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1、環工單元操作單元七電解還原重金屬一、前言電解處理程序為一種氧化還原反應，主要基本反應為電子在電極表面的電子轉移過程，陽極為電子收受者，因此水或有機物在陽極會失去電子發生氧化反應；反之，陰極為電子捐贈者，會釋出電子發生還原反應。在水溶液中進行電解反應時，陽極之主要反應為產生氧氣而陰極之主要反應為產生氫氣，其陰陽極的基本反應如下:陽極反應:2H2O®O2+4H++4e-陰極反應:2H2O+2e-®H2+2OH-故水的電解可在陽極產生氧氣，釋放出氫離子，而陰極則會產生氫氣，釋放出OH-離子。在上述反應中陽極共釋出4個電子而陰極反應則接受2個電子，陽極所反應的電子

2、量為陰極的2倍，在電子平衡原則下可知陽極產生一莫耳氧氣將可產生二莫耳氫氣。但是當水溶液中存在有其他物種時，則可能會產生其他的氧化還原反應，如水中含有氯鹽時則氯鹽可在陽極上被氧化產生氯氣，而水中若有金屬離子時則其會被還原成金屬態。在電解程序中67主要的試劑為電子，電子為一種乾淨的試劑，因此應用於處理程序上有低污染、低傷害及低後續處理問題。電解程序具有以下優點：l適用污染物質濃度範圍廣。l對於處理體積大小較無限制。l反應快速可減小反應設備體積。l操作簡單，易於納入自動化設備。l操作不易受水質與水量變化之影響。l操作因子如電流分配及電壓高低容易調整，易提升能量效

3、率。l以電子為氧化還原試劑，不會產生化學污泥，故可減少後續處理問題。　　電解法在廢水處理上之應用已有多年之歷史，不論是陰極或陽極反應，均可應用於不同廢水之處理上。若根據其電解程序分類，電解法應用在廢水處理上之程序大致有以下數種:l電解浮除(Electroflotation)─利用電解期間陰陽極所產生之氣泡將水中之污染物質上舉予以分離去除。l電透析(Electrodialysis)─利用帶電性之離子朝異性電荷方向移動之原理在電解期間將陰陽離子予以濃縮分離。l電膠凝(Electrocoagulation)─利用犧牲性陽極(如鐵、鋁陽極)或於電解期間添加混凝劑所

4、形成之膠羽吸附污染物後分離去除。67l電解還原(Electrochemicalreduction)─利用電解期間陰極之還原反應將污染物質還原。l電解氧化(Electrochemicaloxidation)─利用電解期間陽極之氧化反應或利用電化學反應產生氧化劑將污染物質氧化破壞去除。　　在以上各種之處理程序中，不論是電浮除、電膠凝或是電透析，皆屬分離方式(separationprocesses)之一種，惟有電解氧化法為利用電化學反應將廢水中之有機物質氧化破壞，直接達到去除污染物質之目的，而電解還原則是回收水中重金屬的可靠方法之一。二、重金屬電解還原之原理　　

5、當一反應器中具有電解質，而又有陰極陽極與電流通路時則稱之為一電解反應槽(例如電池就是一個電解反應槽)。當電解反應槽中之電化學反應為一自發性反應時，則會使陽極失去電子而陰極會得到電子，自動形成電流通路產生電流(例如我們常用的電池)，這種自發性的電解反應槽稱為賈凡尼電池(Galvaniccell)。但當電化學反應為非自發性反應時，則必須藉由外加電位的方式來驅使反應發生，而且外加的電位必須要能超過反應所需的電位才能讓特定的電化學反應發生，這些反應所發生的電位稱之為反應電位，通常以還原半反應式來表示。67當還原半反應式的電位為正值時表示其為一陰極反應，且電位越高越

6、難發生反應；而還原半反式的電位為負值時表示其為一陽極反應，且電位負越多越難發生反應。依化學熱力學的觀點，當反應之Gibbs自由能(DG)為負值時表示反應為自發性反應，而DG又與電位值有關其中DE為電化學反應之淨電位差F為法拉第常數n為反應之電子數所以由已知的陰極與陽極半反應組合所得到的淨電位差即可知反應發生的難易程度，下表為常見的半反應電位而淨電位差或電池電位則為陰極與陽極的電位差，如下:ECELL=ECAT–EAN67其中ECAT為陰極反應電位EAN為陽極反應電位三、電解還原之影響因子在電解反應期間，溶液狀態與操作因子都會影響電解還原效率。一般而言，除了

7、電解液本身性質外，電解操作因子如電極材料、電流密度、pH值與溫度，溶液攪拌程度、電極距離等皆會影響電解反應的發生與效率。3-1溶液性質：溶液性質為影響化學反應之重要因子，在電解回收金屬反應中，溶液中所含金屬種類及濃度、pH值、導電度及其他成分如螯合劑的存在，皆是影響電解反應之重要因素，主要影響因子包括:(1)氧化還原電位：氧化還原反應不可能單獨進行，因為自由電子不能獨立存於溶液，也就是物質失去(給予)電子與獲得(接受)67電子必須同時發生。溶液中金屬離子之氧化還原電位為代表金屬接受電子的程度，當金屬氧化還原電位越高就越易還原，故氧化還原電位為電解還原反應操

8、作首要影響因子。當溶液中含有兩種以上金屬則會因金屬氧化還原電位、金