第12章

新污染物電催化氧化去除技術(shù)12.1電催化氧化技術(shù)簡介電催化氧化技術(shù)通過向電極表面施加電流，利用電場力促進(jìn)新污染物與具有催化活性的電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，或促進(jìn)羥基自由基等活性物質(zhì)的生成，將新污染物氧化降解為小分子物質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)徹底礦化。陽極催化氧化技術(shù)陰極催化還原技術(shù)三維電極電催化氧化技術(shù)電催化耦合技術(shù)電催化氧化-生化耦合技術(shù)臭氧耦合電催化氧化技術(shù)光電耦合催化氧化技術(shù)等12.1電催化氧化技術(shù)簡介12.1.1電催化氧化技術(shù)影響因素-電極電極：指與電解質(zhì)接觸的電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性、優(yōu)異的催化活性、較高的穩(wěn)定性及機(jī)械性能，按照其功能的不同可以分為電催化氧化陽極、電催化氧化陰極和三維電極。炭基材料電極硼摻雜金剛石膜（BDD）電極涂層鈦陽極（DSA）電極12.1電催化氧化技術(shù)簡介12.1.2電催化氧化技術(shù)影響因素-電流電流：是電化學(xué)氧化降解有機(jī)物的能量來源，是電化學(xué)反應(yīng)的驅(qū)動力。電流密度的大小決定著電化學(xué)過程中輸入能量的多少。相對來說，體系中電流密度越大，對污染物的處理效果也越好，需要的能耗越多。傳統(tǒng)的直流電源供電和新型脈沖直流電源供電是運(yùn)用較多的兩種供電方式。傳統(tǒng)直流電源供電新型脈沖直流電源供電12.1電催化氧化技術(shù)簡介12.1.3電催化氧化技術(shù)影響因素-反應(yīng)器構(gòu)型反應(yīng)器構(gòu)型：反應(yīng)器的構(gòu)型可以影響電催化氧化反應(yīng)的處理能力和效率，改變反應(yīng)器的構(gòu)型在一定程度上可以增大電極的比表面積和活性位點(diǎn)。目前的電化學(xué)反應(yīng)器主要分為二維反應(yīng)器和三維反應(yīng)器兩大類。圖12-1三維電極固定床a）與流化床b）結(jié)構(gòu)示意圖12.1電催化氧化技術(shù)簡介12.1.4電催化氧化技術(shù)影響因素-污染物特性污染物濃度：高濃度污染物與催化劑接觸更頻繁，反應(yīng)速率更快，但也會增加氧化反應(yīng)的產(chǎn)物。低濃度污染物與催化劑接觸較少，反應(yīng)速率較慢。污染物種類：不同新污染物的種類對電催化氧化技術(shù)工藝會產(chǎn)生不同的影響，新污染物的化學(xué)性質(zhì)會直接影響其在電催化氧化過程中的反應(yīng)性和可降解性。印染廢水喹啉類化合物農(nóng)藥廢水含氟化合物廢水電催化氧化技術(shù)可以高效降解染料類化合物，將其轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)電催化氧化技術(shù)可有效降解喹啉類化合物，但生成中間產(chǎn)物的種類復(fù)雜紫外光解脫氟耦合電催化氧化技術(shù)實(shí)現(xiàn)氟芳烴化合物的完全脫氟和有機(jī)碳礦化12.1電催化氧化技術(shù)簡介12.1.5電催化氧化技術(shù)影響因素-外界環(huán)境環(huán)境溫度曝氣量pH共存離子和天然有機(jī)物（NOM）較高的溫度可以加快反應(yīng)速率，提高處理效率。然而，過高的溫度可能導(dǎo)致催化劑的失活或電極材料的腐蝕。曝氣可使催化劑與溶液能充分接觸；曝氣提供反應(yīng)所需的氧氣，使體系有利于H2O2的生成，提高有機(jī)物的去除率。廢水的pH值會影響催化劑表面的電荷狀態(tài)，影響污染物分子在催化劑表面的吸附能力和催化反應(yīng)的活性位點(diǎn)的活性。共存離子可能干擾電子傳遞過程或參與氧化還原反應(yīng)；NOM可改變催化劑的表面極性，影響污染物的吸附和催化反應(yīng)的效率。12.1電催化氧化技術(shù)簡介12.1.6電催化氧化技術(shù)影響因素-電解質(zhì)電解質(zhì)：在新污染物廢水的電化學(xué)處理體系中，通常需要加入一定量的電解質(zhì)鹽，以增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性，使新污染物的降解反應(yīng)得以順利發(fā)生。適當(dāng)濃度的電解質(zhì)才能提供足夠數(shù)量且在外電場作用下能夠快速移動的電荷載體，降低電阻，從而在相同的電流密度下降低電極間的電位差，減少能耗。電解質(zhì)濃度電解質(zhì)性質(zhì)惰性電解質(zhì)如NaSO4溶液，在有機(jī)物發(fā)生降解的電位范圍內(nèi)不參與電化學(xué)氧化還原反應(yīng),性質(zhì)穩(wěn)定。而NaCl溶液在電解過程中參與電極反應(yīng)，生成氯自由基增強(qiáng)電極的間接氧化作用，促進(jìn)溶液中有機(jī)物的去除。12.2電催化氧化技術(shù)發(fā)展史早期應(yīng)用20世紀(jì)40年代電催化氧化技術(shù)開始應(yīng)用于污水處理。21世紀(jì)開始研究集中在提高系統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)效率和經(jīng)濟(jì)性，多種新型復(fù)合電極材料出現(xiàn)。20世紀(jì)60年代電力技術(shù)突破后，電催化氧化技術(shù)得到推廣。20世紀(jì)90年代隨著對環(huán)境問題的關(guān)注，電催化氧化技術(shù)開始用于復(fù)雜有機(jī)污染物的降解。20世紀(jì)末新型電極材料（如BDD、DSA等）的開發(fā)推動了技術(shù)進(jìn)步。技術(shù)推廣新污染物關(guān)注材料創(chuàng)新12.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.1陽極催化氧化技術(shù)陽極直接催化氧化技術(shù)：以電極作為媒介，通過陽極的電極反應(yīng)直接氧化或生成強(qiáng)氧化性的中間產(chǎn)物氧化降解新污染物。圖12-2陽極直接催化氧化降解新污染物過程圖12-3陽極直接催化氧化降解新污染物原理圖12.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.1陽極催化氧化技術(shù)陽極間接催化氧化技術(shù)：陽極電極反應(yīng)以外的中間反應(yīng)產(chǎn)生多種強(qiáng)氧化物種實(shí)現(xiàn)新污染物高效降解。例如：活性氯在陽極處可以發(fā)生氧化反應(yīng)，生成一系列具有強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，如氯氣（Cl2）、次氯酸根離子（ClO?）和次氯酸（HOCl）等。圖12-4陽極間接催化氧化降解新污染物過程圖12-5活性氯間接催化氧化降解新污染物原理圖12.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.2陰極催化還原技術(shù)機(jī)理：新污染物在陰極接受電子發(fā)生還原反應(yīng)，改變化學(xué)結(jié)構(gòu)以達(dá)到去除或轉(zhuǎn)化目的。陰極催化還原并不直接生成具有高氧化性的活性物質(zhì)，而是通過例如電Fenton等一些特定的反應(yīng)體系間接生成。圖12-6電芬頓原理氧化降解新污染物過程12.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.3三維電極電催化氧化技術(shù)機(jī)理：利用具有三維立體結(jié)構(gòu)的電極材料進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)，其原理主要基于粒子電極的引入為工作電極提供了更多的活性位點(diǎn)，更大的有效反應(yīng)面積，以及良好的電子傳輸和質(zhì)子傳輸性能。圖12-7三維電極催化氧化降解新污染物過程12.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.4電催化耦合技術(shù)電催化氧化-生化耦合技術(shù)：電催化氧化產(chǎn)生的小分子有機(jī)物更易被微生物利用，生物處理可以降低廢水中的有機(jī)負(fù)荷，減少電催化氧化的處理壓力，二者協(xié)同提高廢水處理效率。圖12-8某生化耦合電催化氧化處理垃圾滲濾液技術(shù)路線圖Step1：調(diào)節(jié)池水解酸化Step2：復(fù)合生化處理高效脫氮除磷Step3：NF/超濾、RO膜分離Step4：電催化氧化12.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.4電催化耦合技術(shù)臭氧耦合電催化氧化技術(shù)：臭氧的強(qiáng)氧化性和電催化作用產(chǎn)生的活性物質(zhì)具有協(xié)同效應(yīng)，能夠提高新污染物的降解速率和礦化度，且臭氧可以氧化電極表面的有機(jī)污染物，防止電極鈍化，延長電極使用壽命。圖12-9微納米臭氧氣泡強(qiáng)化電催化臭氧工藝處理醫(yī)療廢水案例技術(shù)耦合：微納米氣泡技術(shù)與電催化臭氧工藝（MNBs-O3-E）結(jié)合作用機(jī)制：O2/O3在水中的溶解和傳質(zhì)效果改善，微納米氣泡爆破時產(chǎn)生的能量對O3/H2O2進(jìn)行活化，顯著提升系統(tǒng)中的?OH產(chǎn)生能力效能提升：抗臭氧藥物布洛芬的去除率提高了51%，實(shí)現(xiàn)實(shí)際醫(yī)院污水中藥物濃度<30ng/L

WaterResearch259(2024)12189612.3電催化氧化技術(shù)過程原理12.3.4電催化耦合技術(shù)光電耦合催化氧化技術(shù)：光電極材料在光照下吸收光能，激發(fā)出電子-空穴對，同時在電極表面施加電流或偏置電壓，抑制光生載流子的復(fù)合，生成具有