電催化氧化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

李湧 蔡毅 譚煥 趙治國(guó)

摘? 要：電催化氧化技術(shù)是一種綠色水處理技術(shù)，近年來(lái)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)獲得廣泛的關(guān)注、研究與一定程度的工程實(shí)踐應(yīng)用。本文基于作者自身研究基礎(chǔ)，介紹電催化氧化技術(shù)原理，指出其當(dāng)前所面臨的技術(shù)困境。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了該技術(shù)領(lǐng)域近年來(lái)在電催化陽(yáng)極改性、電催化體系優(yōu)化、新型供電模式以及與富集技術(shù)聯(lián)用等方面所取得的研究進(jìn)展，并對(duì)該技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行闡述，以期為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。

關(guān)鍵詞：電催化氧化;廢水處理;應(yīng)用

引言

高濃度有機(jī)廢水是指鉻化學(xué)需氧量（CODcr）濃度達(dá)到2000mg/L及以上，廢水中含有高濃度有機(jī)物，如皮革加工廢水、食品工業(yè)廢水、印染廢水、垃圾填埋場(chǎng)產(chǎn)生的滲濾液等，它們具有的共同點(diǎn)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(jī)廢水的幾類方法。常用的技術(shù)有膜分離法、吸附法、氣浮法、混凝法等。催化氧化法基于化學(xué)氧化法，是在化學(xué)氧化法的基礎(chǔ)上加上催化劑，使反應(yīng)加速或者反應(yīng)更完全。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究人員在催化氧化法上做過(guò)許多嘗試，在高濃度有機(jī)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(kāi)發(fā)了許多新方法。

1概述

電化學(xué)水處理技術(shù)是一種綠色水處理技術(shù)，其主要原理是利用電位差調(diào)控電子流向，使得污染物質(zhì)在電極界面或溶液中完成降解或轉(zhuǎn)化過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。電化學(xué)水處理技術(shù)相比傳統(tǒng)水處理技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：（1）清潔。反應(yīng)物為電子，無(wú)化學(xué)藥劑添加，無(wú)二次污染。（2）靈活。電極形狀、大小可精準(zhǔn)控制;反應(yīng)器類型靈活多變，水處理場(chǎng)地?zé)o硬性要求;可單獨(dú)使用，也可與其它技術(shù)聯(lián)合使用。（3）簡(jiǎn)便。所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單（控制電流或電壓即可）;條件簡(jiǎn)單（常溫常壓下即可處理）且后處理簡(jiǎn)單（處理過(guò)程產(chǎn)生的“垃圾”極少）。（4）可控。無(wú)需苛刻的反應(yīng)條件，人力需求很低，便于自動(dòng)化控制。上述技術(shù)優(yōu)勢(shì)使得電化學(xué)水處理技術(shù)近年來(lái)逐漸成為水污染處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的電化學(xué)水處理技術(shù)包括：有機(jī)物電催化氧化技術(shù)、電化學(xué)水垢去除技術(shù)、電氣浮/電絮凝技術(shù)、電化學(xué)消毒技術(shù)（酸性電解水）、電滲析技術(shù)、微生物燃料電池技術(shù)等。限于文章篇幅、作者研究基礎(chǔ)及研究興趣，本文將重點(diǎn)闡述有機(jī)物電催化氧化技術(shù)的相關(guān)情況。

2電催化氧化技術(shù)

2.1光催化氧化法

光催化氧化法主要利用波長(zhǎng)范圍在290nm-400nm可見(jiàn)光或紫外光的自然波長(zhǎng)能夠被TiO2等催化劑所吸收，吸收過(guò)程中可以激發(fā)電子躍遷產(chǎn)生電子空穴，從而產(chǎn)生大量強(qiáng)氧化性自由基以降解水中有機(jī)物。TiO2作為一種典型的光催化劑，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。SushilKumarKansal等使用溶膠-凝膠技術(shù)合成以高密度生長(zhǎng)、高度結(jié)晶且顯示出良好的光學(xué)性能TiO2納米粒子，在紫外光下光催化反應(yīng)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(xiàn)有相關(guān)研究表明銳鈦礦TiO2具有成本低、穩(wěn)定性高、無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于光催化材料，但也存在響應(yīng)光譜窄、反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的電子空穴量子效率低等不足?，F(xiàn)階段針對(duì)光催化氧化降解有機(jī)物的研究尚處于實(shí)驗(yàn)室小試階段，為了彌補(bǔ)上述提到的不足，大規(guī)模應(yīng)用還需要更深入研究。

2.2電催化氧化

電催化氧化技術(shù)通過(guò)電極和催化材料的作用產(chǎn)生超氧自由基O2·、過(guò)氧化氫H2O2、羥基自由基HO·和其他活性基團(tuán)被用來(lái)降解有機(jī)物，該方法能徹底降解有機(jī)物，不易產(chǎn)生有毒中間產(chǎn)物，基本無(wú)二次污染，被稱為“環(huán)境友好”技術(shù)。采用電催化氧化法對(duì)多種含苯系物廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，此法對(duì)COD的去除效果較好，去除率受pH、電流密度、電解質(zhì)濃度、反應(yīng)時(shí)間等因素影響。采用電-多相臭氧催化（E-catazone）技術(shù)處理高有機(jī)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(jìn)氣流速0.4L/min、O3濃度為60mg/L、反應(yīng)60min時(shí)，COD和TOC的去除率分別為62%和44%，其效果顯著優(yōu)于多相臭氧催化與電催化氧化。電催化氧化技術(shù)需要消耗電能，在工程應(yīng)用中勢(shì)必會(huì)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(jī)廢水的廢水處理技術(shù)，該技術(shù)本身包含了臭氧具有的強(qiáng)氧化性和催化劑特性的特點(diǎn)。根據(jù)催化劑的相態(tài)，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(wú)二次污染。均相臭氧催化氧化通常使用過(guò)渡金屬離子為催化劑，如Fe2+、Mn2+、Cu2+、Ag+等。均相臭氧催化氧化機(jī)理主要有兩種，其一是臭氧經(jīng)催化分解形成羥基自由基，具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基氧化去除有機(jī)污染物。例如，基于Fenton氧化機(jī)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(wú)害無(wú)機(jī)物。例如，研究發(fā)現(xiàn)，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(duì)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(shí)，TOC去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)載在有關(guān)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(yīng)。采用O3/Ca（OH）2體系處理垃圾滲濾液生化出水，COD去除率達(dá)到89.86%，出水COD濃度低于100mg/L。將臭氧與顆?；钚蕴拷Y(jié)合催化氧化高濃度工業(yè)廢水的實(shí)驗(yàn)表明，聯(lián)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(shù)因其對(duì)難以降解的有毒污染物去除效果更好而成為研究的熱點(diǎn)。一般認(rèn)為，超聲波場(chǎng)對(duì)溶液有三種作用：熱學(xué)效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)，其中空化效應(yīng)能夠增加HO·產(chǎn)出量，對(duì)降解有機(jī)物起主要作用。采用聲催化氧化法對(duì)玫瑰紅B溶液進(jìn)行脫色處理，考察了H2O2投加量、超聲時(shí)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(duì)脫色率的影響，通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)證實(shí)超聲催化氧化技術(shù)具有明顯的處理效果，超聲、H2O2和CuSO4的協(xié)同作用十分突出。超聲設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低，在水處理中更容易實(shí)現(xiàn)工程化。

2.5新型催化材料

由于催化氧化技術(shù)大多存在或成本高或效果不佳的問(wèn)題，因此關(guān)于非均相催化材料的研究，越來(lái)越受到人們的關(guān)注將實(shí)驗(yàn)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(yīng)90min后，CTX可有效去除，并且連續(xù)5個(gè)循環(huán)，其重復(fù)利用率仍很高。目前對(duì)于高級(jí)催化氧化技術(shù)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(wú)污染、可重復(fù)使用的催化材料為目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)

電催化氧化技術(shù)作為一種清潔、靈活、可控和溫和處理的電化學(xué)技術(shù)，其在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用已呈現(xiàn)出百花齊放的態(tài)勢(shì)。未來(lái)電催化氧化技術(shù)需要重點(diǎn)關(guān)注傳荷與傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化，并有針對(duì)性的對(duì)電極材料、反應(yīng)器構(gòu)型、電源系統(tǒng)等核心部件進(jìn)行優(yōu)化改性。此外，電化學(xué)技術(shù)與其它種類的水處理技術(shù)聯(lián)用亦是一個(gè)重要的發(fā)展方向，多技術(shù)的結(jié)合有利于發(fā)揮多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高整體工藝的處理效果、降低處理成本。

參考文獻(xiàn)

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