電催化氧化技術在有機廢水處理中的應用

李湧 蔡毅 譚煥 趙治國

摘? 要：電催化氧化技術是一種綠色水處理技術，近年來以其獨特的技術優點獲得廣泛的關注、研究與一定程度的工程實踐應用。本文基于作者自身研究基礎，介紹電催化氧化技術原理，指出其當前所面臨的技術困境。在此基礎上，重點介紹了該技術領域近年來在電催化陽極改性、電催化體系優化、新型供電模式以及與富集技術聯用等方面所取得的研究進展，并對該技術未來發展方向進行闡述，以期為相關領域的發展貢獻微薄之力。

關鍵詞：電催化氧化;廢水處理;應用

引言

高濃度有機廢水是指鉻化學需氧量（CODcr）濃度達到2000mg/L及以上，廢水中含有高濃度有機物，如皮革加工廢水、食品工業廢水、印染廢水、垃圾填埋場產生的滲濾液等，它們具有的共同點是污染物濃度高、污染物難消解。生物法、物化法和催化氧化法是目前普遍用于高濃度有機廢水的幾類方法。常用的技術有膜分離法、吸附法、氣浮法、混凝法等。催化氧化法基于化學氧化法，是在化學氧化法的基礎上加上催化劑，使反應加速或者反應更完全。近年來，國內外許多研究人員在催化氧化法上做過許多嘗試，在高濃度有機廢水的處理上取得較好的效果，因此受到廣泛重視，研究氛圍活躍，開發了許多新方法。

1概述

電化學水處理技術是一種綠色水處理技術，其主要原理是利用電位差調控電子流向，使得污染物質在電極界面或溶液中完成降解或轉化過程，以實現水質凈化。電化學水處理技術相比傳統水處理技術具有獨特的優勢：（1）清潔。反應物為電子，無化學藥劑添加，無二次污染。（2）靈活。電極形狀、大小可精準控制;反應器類型靈活多變，水處理場地無硬性要求;可單獨使用，也可與其它技術聯合使用。（3）簡便。所需設備簡單，操作簡單（控制電流或電壓即可）;條件簡單（常溫常壓下即可處理）且后處理簡單（處理過程產生的“垃圾”極少）。（4）可控。無需苛刻的反應條件，人力需求很低，便于自動化控制。上述技術優勢使得電化學水處理技術近年來逐漸成為水污染處理領域的研究熱點。常見的電化學水處理技術包括：有機物電催化氧化技術、電化學水垢去除技術、電氣浮/電絮凝技術、電化學消毒技術（酸性電解水）、電滲析技術、微生物燃料電池技術等。限于文章篇幅、作者研究基礎及研究興趣，本文將重點闡述有機物電催化氧化技術的相關情況。

2電催化氧化技術

2.1光催化氧化法

光催化氧化法主要利用波長范圍在290nm-400nm可見光或紫外光的自然波長能夠被TiO2等催化劑所吸收，吸收過程中可以激發電子躍遷產生電子空穴，從而產生大量強氧化性自由基以降解水中有機物。TiO2作為一種典型的光催化劑，越來越受到國內外研究者的關注。SushilKumarKansal等使用溶膠-凝膠技術合成以高密度生長、高度結晶且顯示出良好的光學性能TiO2納米粒子，在紫外光下光催化反應120min降解左氧氟沙星90%以上。TiO2以三種多晶型存在，如金紅石，板鈦礦和銳鈦礦，現有相關研究表明銳鈦礦TiO2具有成本低、穩定性高、無毒性等優點被廣泛用于光催化材料，但也存在響應光譜窄、反應過程中產生的電子空穴量子效率低等不足?，F階段針對光催化氧化降解有機物的研究尚處于實驗室小試階段，為了彌補上述提到的不足，大規模應用還需要更深入研究。

2.2電催化氧化

電催化氧化技術通過電極和催化材料的作用產生超氧自由基O2·、過氧化氫H2O2、羥基自由基HO·和其他活性基團被用來降解有機物，該方法能徹底降解有機物，不易產生有毒中間產物，基本無二次污染，被稱為“環境友好”技術。采用電催化氧化法對多種含苯系物廢水進行處理，結果表明，此法對COD的去除效果較好，去除率受pH、電流密度、電解質濃度、反應時間等因素影響。采用電-多相臭氧催化（E-catazone）技術處理高有機物含量、高含鹽量和難生化的金剛烷胺制藥廢水，在原水pH值12.5、電流密度15mA/cm2、O3進氣流速0.4L/min、O3濃度為60mg/L、反應60min時，COD和TOC的去除率分別為62%和44%，其效果顯著優于多相臭氧催化與電催化氧化。電催化氧化技術需要消耗電能，在工程應用中勢必會增加水處理成本。

2.3臭氧催化氧化法

臭氧催化氧化法是一種高效、清潔、適合用于高濃度有機廢水的廢水處理技術，該技術本身包含了臭氧具有的強氧化性和催化劑特性的特點。根據催化劑的相態，把臭氧催化氧化法分為均相臭氧催化氧化和非均相臭氧催化氧化。均相臭氧催化氧化法可控性好，催化劑易制備;非均相臭氧催化氧化法的催化劑多為固體，易于固液分離，可方便回收，無二次污染。均相臭氧催化氧化通常使用過渡金屬離子為催化劑，如Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ag+等。均相臭氧催化氧化機理主要有兩種，其一是臭氧經催化分解形成羥基自由基，具有強氧化性的羥基自由基氧化去除有機污染物。例如，基于Fenton氧化機理提出Fe2+催化臭氧分解形成羥基自由基。另一種是污染物在催化劑的作用下，直接被臭氧氧化，生成無害無機物。例如，研究發現，Mn2+的存在加快臭氧氧化降解水體中的除草劑西瑪津。以Co2+催化臭氧對草酸降解的研究，研究表明Co2+的存在加速了草酸鹽的降解。研究表明，存在Fe2+、Mn2+、Ni2+或Co2+硫酸鹽時，TOC去除率遠遠高于單一臭氧氧化。研究了草酸和Mn2+存在的條件下，臭氧催化氧化降解17β-雌二醇，17β-雌二醇去除率增高至90%以上。非均相催化劑一般為不溶于水的金屬氧化物或負載在有關載體上的金屬和金屬氧化物。的研究表明針鐵礦能催化加速臭氧氧化氯苯的反應。采用O3/Ca（OH）2體系處理垃圾滲濾液生化出水，COD去除率達到89.86%，出水COD濃度低于100mg/L。將臭氧與顆?；钚蕴拷Y合催化氧化高濃度工業廢水的實驗表明，聯合工藝比單一臭氧氧化更具COD去除能力。

2.4超聲催化氧化

超聲技術因其對難以降解的有毒污染物去除效果更好而成為研究的熱點。一般認為，超聲波場對溶液有三種作用：熱學效應、機械效應和空化效應，其中空化效應能夠增加HO·產出量，對降解有機物起主要作用。采用聲催化氧化法對玫瑰紅B溶液進行脫色處理，考察了H2O2投加量、超聲時間、超聲頻率、超聲功率、pH值、CuSO4投加量以及溶液初始濃度等因素對脫色率的影響，通過對照實驗證實超聲催化氧化技術具有明顯的處理效果，超聲、H2O2和CuSO4的協同作用十分突出。超聲設備簡單、成本低，在水處理中更容易實現工程化。

2.5新型催化材料

由于催化氧化技術大多存在或成本高或效果不佳的問題，因此關于非均相催化材料的研究，越來越受到人們的關注將實驗室合成的γ-Fe2O3NaY沸石用于UV-H2O2體系降解頭孢曲松（CTX），在pH4.0、CTX20mg/L、催化劑1.17g/L、H2O230mm條件下，反應90min后，CTX可有效去除，并且連續5個循環，其重復利用率仍很高。目前對于高級催化氧化技術的研究主要集中在催化材料的制備上，以制備成本低、催化效果好、無污染、可重復使用的催化材料為目標。

結語

電催化氧化技術作為一種清潔、靈活、可控和溫和處理的電化學技術，其在水處理領域的應用已呈現出百花齊放的態勢。未來電催化氧化技術需要重點關注傳荷與傳質過程的強化，并有針對性的對電極材料、反應器構型、電源系統等核心部件進行優化改性。此外，電化學技術與其它種類的水處理技術聯用亦是一個重要的發展方向，多技術的結合有利于發揮多種技術的優勢，揚長避短，提高整體工藝的處理效果、降低處理成本。

參考文獻

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