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电催化氧化处理难降解有机废水的研究进展

                         电催化氧化处理难降解有机废水的研究进展
                                  刘威 刘丽丽 温青
                         (哈尔滨工程大学,黑龙江哈尔滨150000)
    摘要:生物难降解有机物是水处理中的难题之一。本文综述了目前国内外电催化氧化处理该类废水的应用现状及研究方向展望。
    关键词:电化学;催化氧化;难降解有机物
    造成水体严重污染的主要污染物是有机物。可生化的废水可通过生物法进行处理,但难降解及有毒有害有机废水的处理一直是个难题。因而,近年来,一种基于化学氧化法的新技术高级氧化法正成为水处理技术研究的热点,其中电催化氧化法因其具有的独特优势在有机废水处理上就更加倍受环保工作者的关注[1]。
    1· 研究现状及局限性
    1.1 研究现状
    电催化氧化法是近年来逐渐发展起来的一种颇有发展前景并已在生物难降解废水处理中得到应用的方法[2]。它的研究正处于起步阶段,虽然目前关于高浓度有机废水的电催化氧化处理有报道,但大多限于实验影响因素对去除有机污染物的探讨,主要是催化电极本身的催化活性、反应体系的pH 值、电压等,而理论上的研究也只是一些假定条件下的推测结果[3]。
    电催化氧化法水处理技术的优点在于:
    (1)过程中产生的·OH 具有强氧化性,可无选择地直接与废水中的有机污染物反应,将其降解为二氧化碳、水和简单有机物,没有或很少产生二次污染;(2)反应条件温和,电化学过程一般在常温常压下就可进行;(3)既可单独处理,又可与其它处理技术相结合,如作为生化法的前处理,用以提高废水的可生化性;(4)电解设备及其操作一般比较简单,如果设计合理,费用并不昂贵[4]。因此,国外电解法水处理技术被称为“环境友好”技术(EnvironmentFriendlyTechnology)。
    20 世纪60 年代, 人们对电化学水处理技术进行了大量的基础研究工作。国内外学者从研制高催化活性的电极材料入手,对有机物电催化氧化机理和影响降解效率各种因素进行了研究,取得了很大的突破, 并开始应用于难生物降解有机废水如垃圾掩埋渗滤液、含硫废水、含氮氨废水,铜氨废水的处理,因而,电极材料的研究也不断取得进展[5]。尤宏[6]等,设计并制备了Ti/Co/SnO2 电极降解苯酚。结果表明, 含有中间层的Ti/Co/SnO2 电极其使用寿命较不含中间层的钛基二氧化锡电极Ti/Co/SnO2大幅度提高, 但其对苯酚的电催化降解活性有所下降,氧化还原电对Co2+/Co3+ 的存在是所制备Ti/Co/SnO2电极稳定性及电催化活性改变的主要原因。李天成[7]等分别针对不锈钢、柔性石墨和SnO2/Ti 复合材料测定了其析氧过电位,并以不锈钢、柔性石墨为阳极材料,在5~6V 直流电压下,对合成苯酚废水进行了电化学氧化处理,结果表明:析氧过电位次序为SnO2/Ti> 柔性石墨> 不锈钢,处理后水的COD 值接近或小于100mg·L- 1,且出水的苯酚浓度小于5mg·L- 1。Vlyssides 等[8]以Ti/Pt 为阳极、不锈钢为阴极,对含橄榄油的有毒废水进行了处理。加入40g·L- 1 的NaCl 作为电解质, 在0·26A·cm- 2 的电流密度下分别处理1h 和10h。结果显示:CODCr 去除率分别为41%和93%,TOC 去除率分别为20%和80.4%,SS 去除率分别为1%和98.7%, 色度去除率分别为70%和99.4%,平均能量损耗分别为1.273 和12.3kW·h·kg- 1。赵国华[9]等采用循环伏安法和测定催化电极在不同介质中的阳极极化曲线得到析氧电位的方法, 考察了有机污染物苯胺在催化电极上的电催化氧化行为。Lidia 等[10]用Ti/Pt 和Ti/Pt/Ir 电极电解处理制革废水。电化学过程不仅能去除有机物,而且还有去除NH3- N 的作用。
    在Cl- 存在下间接氧化过程更加明显,NH3- N 几乎完全除去。我们在实验室研究了掺杂铁族离子的PbO2 电极,结果表明:该电极的导电性大幅提高,可节省能耗,另外还研究了掺杂稀土元素的PbO2和SnO2 电极,其性能都有不同程度的提高。
    1.2 局限性
    电催化氧化工艺可以有效地产生氧化能力极强的羟基自由基或其它活性物质,既可控制有机物降解使之去除毒性,也可以实现有机物完全矿化。该技术用于处理高浓度有毒有机废水,可弥补其它常规工艺之不足,多种处理方法的结合还可提高工艺的经济性,但并非所有的电化学方法都能够被工程实用化[2],主要存在以下局限性:(1)实用化、催化性能高的电极材料不多:不溶性电极PbO2、SnO2 等电极的氧化能力虽然高于石墨等电极,但对难氧化分解的有机物的效果也不理想;(2)电化学氧化机理尚有待进一步研究:有机物在电极上发生的氧化降解机理的研究工作还不很深入,研究手段还有待探索和提高;(3)电极寿命短:电极材料的限制致使其使用寿命不长,限制了方法的应用;(4)能耗较大:阳极存在析氧、水分解等副反应,导致电流效率降低,处理费用较高。
    2 ·研究方向展望
    随着有机合成工业的不断发展, 许多工业废水中人工合成的有机物种类越来越多,而这些有机物往往是不可或难生物降解的,利用生物处理技术处理较困难,而利用电催化氧化技术将是一个较好的选择,该方法有着巨大的潜力[11]。一是用于电化学燃烧,在电解过程中产生强氧化性的物质,使有机污染物均相或异相地被彻底氧化降解成二氧化碳和水。二是用于电化学转化,把生物难降解的有机物或有毒有害物质通过电化学方法转化为易生物降解的化合物和无毒无害物质。总之,电化学降解法处理有机废水由于其独特的优点,在有机废水的前处理和废水的深度处理方面有着极其广阔的应用前景。
    今后的研究方向:(1)廉价、高效电极的研制和应用;(2)深入研究电催化氧化机理,以便针对特定污染物和处理要求设计制造特性电极;(3)设计新型反应器,对极板与电源的连接方式、废水在槽中的流动方式等各方面进行改进,以提高处理效率;(4)提高智能化水平,以突出电化学方法处理效果稳定,易于实现自动化运行的优点。
参考文献
[1]INIESTA J,MICHAUDPA,CERISOLAG.Electro -chemical oxidationof phenol at
boron-doped diamond electrode[J].Eleetrochimiea Acta,2001,46(23):3573-3578.
[2]周启光,周恭明.电催化氧化处理有机废水的应用现状和展望[J].福建环境,2003,20(3):35-36.
[3]陈繁忠,傅家漠,盛国英,闽育恒.电催化氧化法降解水中有机物的研究进展[J].中国给水排水,1999,15(3):24-26.
[4]宋卫锋,倪亚明,何德文.电解法水处理技术的研究进展[J].化工环保,2001,21(1):11-15.
[5]冯玉杰,李晓岩,尤宏等.电化学技术在环境工程中的应用[M].北京:化学工业出版社,2002.
[6]尤宏,崔玉虹等.钛基Co 中间层SnO2电催化电极的制备及性能研究[J].材料科学与工艺, 2004,12(3):230-233.
[7]李天成,朱慎林.电催化氧化技术处理苯酚废水研究[J].电化学,2005,11(1):101-104.
[8]Vlyssides A G,Karlis P K,Zorpas A A. Electrochemical oxidation of
NonCyanide strippers wastes[J].Environment International,1999,25(5):663-670.
[9]赵国华,陈蕊,高廷耀.有机污染物苯胺在催化电极上氧化降解的途径[J].环境科学研究,2003,16(3):51-54.
[10]Lidia Sxpyrkowicz. Electrochemical treatment of tannery wastewaterusingTi/Pt/Ir
 electrodes[J].Water Reaserch,1995,29(2):517-524.
[11]王翠. 电化学氧化法在废水处理中的应用[J]. 河北工业科技,2004,21(1):49-53.


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