電催化氧化技術

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電化學法處理廢水具有氧化還原、凝聚、氣浮、殺菌消毒和吸附等多種功能，并具有設備體積小、占地面積少、操作簡單靈活，可以去除多種污染物，同時還可以回收廢水中的貴重金屬等優點。近年已廣泛應用于處理電鍍廢水、化工廢水、印染廢水、制藥廢水、制革廢水、造紙黑液等場合。
?? 電化學法的優點:(1)具有多種功能,便于綜合治理。除可用電化學氧化和還原使毒物轉化外,尚可用于懸浮或膠體體系的相分離。電化學方法還可與生物方法結合形成生物電化學方法,與納米技術結合形成納米-光電化學方法;(2)電化學反應以電子作為反應劑,一般不添加化學試劑,可望避免產生二次污染;(3)設備相對較為簡單,易于自動控制;(4)后處理簡單,占地面積少,管理方便,污泥量很少。
?? 電化學法去除污染物的基本機理
?? 1、電化學還原
電化學還原即通過陰極發生還原反應而去除污染物,可分為兩類:一類是直接還原即污染物直接在陰極上得到電子而發生還原，基本反應式為為：M2++2e-→M。
?? 許多金屬的回收即屬于直接還原過程同時該法也可使多種含氯有機物轉變成低毒性物質還可提高產物的生物可降解性,如R+Cl+H++2e-→R----H+Cl-。
另一類是間接還原指利用電化學過程中生成的一些氧化原媒質如Ti3+,V2+和Cr2+將污染物還原去除,如二氧化硫的間接電化學還原可轉化成單質硫：SO2+4Cr2++4H+→S+4Cr3++2H2O
?? 2、電化學氧化
?? 電化學氧化是電化學陽極發生氧化的過程,也可分為兩種：
一種是直接氧化即污染物直接在陽極失去電子而發生氧化,有機物的直接電催化轉化分兩類進行。⑴是電化學轉換,即把有毒物質轉變為無毒物質,或把非生物兼容的有機物轉化為生物兼容的物質(如芳香物開環氧化為脂肪酸),以便進一步實施生物處理;⑵是電化學燃燒,即直接將有機物深度氧化為CO2。研究表明，有機物在金屬氧化物陽極上的氧化反應機理和產物同陽極金屬氧化物的價態和表面上的氧化物種有關。在金屬氧化物MOx陽極上生成的較高價金屬氧化物MOx+1有利于有機物選擇性氧化生成含氧化合物；在MOx陽極上生成的自由基MOx(?OH)有利于有機物氧化燃燒生成CO2。進一步分析如下:在氧析出反應的電位區,金屬氧化物表面可能形成高價態氧化物,因此在陽極上存在兩種狀態的活性氧,即吸附的氫氧自由基和晶格中高價態氧化物的氧。陽極表面氧化過程分兩階段進行,首先溶液中的H2O或?OH在陽極上放電并形成吸附的氫氧自由基:
MOx+H2O→MOx(?OH)+H+e-
然后吸附的氫氧自由基和陽極上現存的氧反應,并使氫氧自由基中的氧轉移給金屬氧化物晶格,形成高價氧化物MOx+1:
MOx(?OH)→MOx+1+H++e-?
當溶液中不存在有機物時,兩種狀態的活性氧以下步驟進行氧析出反應：
MOx(?OH)→O2+MOx+H++e-
MOx+1→MOx+O2
當溶液中存在可氧化的有機物R時,反應如下:
R+MOx(?OH)y→CO2+MOx+yH++e-
R+MOx+1→MOx+RO
在含氰化物、含酚、含醇、含氮有機染料的廢水處理中，直接電化學氧化都發揮了非常有效的作用；
?? 另一種是間接氧化即通過陽極反應生成具有強氧化作用的中間產物或發生陽極反應之外的中間反應，氧化被處理污染物，最終達到氧化降解污染物的目的。
?? 為了得到高的轉化效率,必須滿足以下要求:(1)氧化還原劑的生成電位必須不靠近析氫或析氧反應的電位;(2)氧化還原劑的產生速度足夠大;(3)氧化還原劑與污染物的反應速度比其他競爭反應的大;(4)污染物或其他物質在電極上的吸附小。在某些情況下,氧化還原劑是催化劑,可以循環使用。例如利用MnO、CuO、NiO的氧化還原轉變可加速有機污染物的氧化,此時,有機物氧化的電位區由這些金屬氧化物的氧化還原電位所決定。利用Ag氧化還原體系可使水中98%以上的有機物轉變CO2。上述氧化物催化劑以懸浮體分散在被處理的液體中,需要進行分離回收。為了避免分離步驟帶來的麻煩,出現了將氧化物催化劑固定在電極上的方案。
?? 間接電化學轉化更常見的方法是利用電化學產生的短壽命中間物(溶劑化電子、?OH、?O2、?HO2等自由基)來破壞污染物,過程是不可逆的。近年來,利用氧陰極產生H2O2,同時進行有機物陽極氧化的方法倍受重視,已被用于含苯胺廢水的處理。在此法中陰極和陽極之間不使用隔膜,有機物在含氧自由基的作用下降解為低碳數的繼后中間物,這種反應迅速地進行,直到所有分子碎片氧化為CO2和H2O,從而提高了電流效率,節省了電能消耗。
?? 往往在電化學處理過程當中，即有陽極直接氧化過程，又有間接氧化過程，它們的分類并不是絕對的。
?? 3、電凝聚作用

?? 在電解過程當中，采用鋁質或鐵質的可溶性陽極，通以直流電后，陽極材料會在電解過程當中發生溶解，形成金屬陽離子Fe3+、Al3+等，與溶液中的形成等具有絮凝作用的膠體物質，這些物質可促使水中的膠態雜質絮凝沉淀，從而實現污染物的去除。
?? 4、電浮選

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?? 在對廢水進行電化學處理過程中，通過電極反應主要是在陰極和陽極上分別析出氫氣和氧氣，產生直徑很小（約8~15μm）、分散度很高的氣泡，作為載體吸附系統中的膠體微粒及懸浮固體上浮，在水面形成泡漠層，用機械方法加以去除，從而達到分離污染物的目的。可通過調節電流、電極材料、PH值和溫度可改變產氣量及氣泡大小，滿足不同需要。
?? 5、光電化學氧化
?? 半導體材料通過吸收可見光或紫外光中的能量，并通過產生“電子--空穴”對，儲存多余的能量，能使半導體粒子克服熱力學屏障。作為催化劑使用，進行光催化反應。常用的半導體材料有TiO2和SnO2等。實驗研究表，明光催化氧化法對四氯化碳、4-氯酚、苯二酚、P-氨基酸、苯等有機物及多種無機物如：
CN-、S2-、I-、Br-、Fe2+、Cl-等離子都能發生作用，有良好的去除效果。
?? 電化學法和其他方法的結合是電化學法的前沿之一其中最突出的是電化學法和生物法的結合，其原理是是污染物在生物和電化學雙重作用下得到降解，且微弱的電流還可以刺激微生物的代謝活動。在處理難生物降解或電解處理不徹底的廢水方面已顯出明顯的優勢。電化學法也可與絮凝、吸附等過程相結合，可取得更好的效果。電化學法還可與電滲析、離子交換等相互結合，這樣可以高處理效率。

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