废水高级氧化之电催化氧化技术

一、电催化氧化技术

随着废水处理技术的发展和完善，成分简单、生物降解性好的有机废水已能得到有效的控制，其中生物法是目前消除生活和工业废水中有机污染物最经济、最有效的方法。然而多数工业废水用生物法很难有效去除，难降解有机物对微生物具有较强抑制作用，因此研发一种易于操作和控制的化学处理法处理难降解有机物的研究极其重要。

电催化氧化技术是AOP 技术的一种, 因其具有其他处理方法难以比拟的优越性近年来受到极大关注。

1.基本概念Basic concepts

电化学水处理技术就是利用外加电场作用,在特定的电化学反应器内,通过一系列设计的化学反应、电催化过程或物理过程,达到预期的去除废水中污染物或回收有用物质的目的。

电催化法处理废水应用起始于20世纪40年代，但由于投资较大，电力缺乏，成本较高，因而发展缓慢。直到60年代，随着电力工业的发展，电化学法才被真正地用于废水处理过程。近年来，由于电化学方法在污水净化、垃圾渗滤液、制革废水、印染废水、石油和化工废水等领域的应用研究进展，引起人们对这一方法的广泛关注。

2.技术优势Advantage

（1）在废水处理过程中，主要试剂是电子，不需要添加氧化剂，没有或很少产生二次污染，可给废水回用创造条件；

（2）能量效率高，反应条件温和，一般在常温常压下即可进行；

（3）兼具气浮、絮凝、杀菌作用，可以通过去除水中悬浮物和选用特殊电极来达到去除细菌的效果，可以使处理水的保存时间持久；

（4）反应装置简单，工艺灵活，可控制性强，易于自动化，费用不高。

3.技术机理Basic principles

电催化氧化的机理主要是自由基反应。在电催化条件下, 反应体系中将产生多种强氧化性物质,其中OH的产生量是最多的,而反应过程中产生的活性中间体H₂O₂则是形成自由基的重要引发剂。有机物(R)在·OH作用下,发生快速氧化反应及自由基链反应,从而达到去除的目的。但是若H₂O₂浓度过高时,过量的H₂O₂也会消耗·OH。此外,溶液中过量的H₂O₂也会与·OH 反应生成过氧化羟基自由基(·HO2),而·HO2的氧化性能相对于·OH较弱。

 

二、电催化氧化废水处理是电化学阳极发生氧化的过程，也可分为两种：

一种是直接氧化即污染物直接在阳极失去电子而发生氧化,有机物的直接电催化转化分两类进行。

（1）是电化学转换,即把有毒物质转变成无毒物质,或把非生物相容的有机物转化为生物相容的物质(如芳香物开环氧化为脂肪酸),以便进一步实施生物处置；

（2）是电化学燃烧,即直接将有机物深度氧化为CO2。

研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。在金属氧化物MOx阳极上生成的较高价金属氧化物MOx+1有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物；在MOx阳极上生成的自由基MOx(·OH)有利于有机物氧化燃烧生成CO2。

进一步分析如下:在氧析出反应的电位区,金属氧化物表面可能形成高价态氧化物,因此在阳极上存在两种状态的活性氧,即吸附的氢氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧。

三、技术新发展Development direction

电催化技术是在电极表面的氧化作用下或由电场作用而产生的自由基作用下促使有机物氧化分解的技术。近年来，利用电催化技术处理难生化有机废水的方法逐渐引起关注。

电催化性能的变化本质上不是电位、电流等外部条件引起的，而是电极材料本身的影响。对难降解有机污染物的电化学降解问题，重要的是电极材料的设计与制备。不同的电极材料，对应着不同的转化结果和转化机制。

在废水的电解处理当中，很大限度地提高电解反应速度，增大单位电解槽的反应量一直是人们所努力的目标。当反应物浓度低、电极反应速度慢时，就更加迫切需要更为高效的电解槽。扩大电极表面积是增加电解反应速度，提高电解效率的一种有效的方法。

电解多相催化氧化以多类型金属为阳极，在直流电的作用下，阳极被溶蚀，产生金属离子，再经过一系列水解、聚合及亚铁的氧化过程，发展成为各种羟基络合物、多核羟基络合物以至氢氧化物，使废水中的胶态杂质、悬浮杂质凝聚沉淀而分离。