电催化氧化技术的基本原理

电催化氧化是一种基于电化学反应的催化氧化技术，属于高级氧化技术的一种，该技术可有效降解污水中的有机物，特别是处理小水量、高盐分、难生化降解的污染物，效果更佳，因此是一种非常具有应用前景的污水处理技术，也越来越受到环保领域的重视。  

目前，电催化污水处理技术的原理主要分为阳极催化氧化、阴极还原以及阴阳极协同处理。

一、阳极催化氧化原理

阳极氧化又分为两种路径，即直接氧化和间接氧化。阳极表面物理吸附的活性氧，以高活性的·OH形式出现，而化学吸附的氧，以金属过渡态氧化物MOx+1形式出现，污染物通过与·OH或者MOx+1结合，并被氧化，最终被降解为低生物毒性或者易生物降解的物质，甚至直接矿化为无机物，从而达到处理污染物的目的。

其过程见图1，该过程中氧的传递通过羟基自由基来实现。

 

而间接氧化则是阳极首先产生强氧化性中间产物，如羟基自由基（·OH）、超氧自由基（·O2）、臭氧（O3）、过氧化氢（H2O2）、含氯活性物种等，然后在这些中间产物的作用下将污染物氧化为无机物。

除了有机物，有些无机物（如氨氮）也可以被ClO-氧化，从而从水体中被去除。间接氧化过程中氧的传递可以通过氧氯中间物种实现，而不是之前的羟基自由基（·OH）。

但是，水中Cl-也不是总是有利于污染的降解，有时候也可能会产生氯代烃类物质，增加污染物的毒性，因此，对于不同的污染物、不同的水质、不同的电极材料，Cl-的作用机理可能是不一样的。但是在多数的实际反应过程中，这两种氧化过程同时进行。

二、阴极还原原理

通过阴极还原不可能直接产生高氧化性的活性中间物，如羟基自由基，来降解污染物。一般是通过产生H2O2的方式，进而得到强氧化中间物来实现污染物的降解，如构建电Fenton处理体系。

传统的Fenton氧化降解有机物过程需要控制pH值在3左右，外加亚铁离子和H2O2，是比较常用的化学氧化过程，但是由于Fe2+离子会在此过程中被氧化为Fe3+，进而产生铁泥危废，而且H2O2的运输和储存也有一定安全风险。

而利用电催化阴极还原原位直接产生H2O2的同时，还原Fe3+为Fe2+可以避免传统Fenton的问题。

因此，电Fenton与传统Fenton相比，作为Fenton试剂的H2O2利用阴极的电化学反应过程原位产生，可以有效避免H2O2在储运过程中可能存在的风险;同时，系统中的Fe3+通过阴极还原反应可以转化为Fe2+，从而有效地降低了Fe2+投加量和铁泥产量。

电Fenton过程示意见图2。

阴极常用金属及氧化物、石墨、活性炭等材料作为阴极。由于这些材料催化活性不高，也存在H2O2产量低、Fe2+再生效率不高、pH值适应范围窄、电流效率低等问题。

近年来发展起来的碳纤维电极、三维电极、纳米铁/碳纳米管等高效阴极材料作为阴极获得了更高的电流效率。

以三维电极为例，如图3所示，普通的二维电极主要是以平板电极形式，其存在电流效率低、能耗高的问题。而三维电极是在传统二维电极间装填固体粒子电极材料，在一定的电压下，固体粒子会发生极化进而成为新的一极。

与二维电极相比，三维电极具有更大的接触面积，由于颗粒物填充后传质距离变短，且提供了更大的比表面积，有利于提高污染物的扩散和降解，而且可以促进产生更多的羟基自由基，提高污染物的降解效率。

阴极还原技术要求阴极材料具有高析氢超电位、有效吸附和聚集氧分子于电极表面、能高效催化氧气生成H2O2等特点。

目前，国内电Fen-ton技术的应用主要在油田污水、二硝基重氮酚污水、丙烯酸污水以及制革污水等方面，具体情况表1。

写在最后

对于不同来源的废水其处理方法不尽相同。

作为一种高级氧化技术，电催化氧化技术可以有效地实现有机物的降解甚至完全矿化，并且处理条件相对温和，这非常适合难以生物降解的污水处理。

但是电催化氧化技术也存在成本高、电极材料制备复杂等问题。

因此，将电催化氧化技术作为污水处理前端工艺，并与其他工艺有效结合起来是难以生物降解污水处理技术的发展方向之一。