电化学氧化技术在水处理中的应用研究
电化学氧化技术在水处理中的研究应用
陕西师范大学2004 级研究生学位论文开题报告
学生姓名谷麟工作单位陕西师范大学能源化学研究所年级2004级专业应用化学研究方向电化学技术在水处理中的应用
指导教师王博
联系电话 136********
E-mail lingu@https://www.wendangku.net/doc/5513335761.html, 开题时间 2005年8月———————————————————————————————————————电化学氧化技术在水处理中的研究应用
谷麟
一选题的目的与意义
随着世界各国工业的迅猛发展，废水的排放量急剧增加，尤其是化学、农药、染料、医药、食品等行业排放的废水，其浓度高、色度大、毒性强，含有大量生物难降解的成分，给全球带来了严重的水体污染。以往常用的废水处理技术主要有物理法、化学法、生物法，其中，物理法、化学法容易引起二次污染；生物法以其经济性和较高的处理效率成为目前使用广泛的、能使污染物最终无机化、矿物化的方法，但它只能有效地处理生物相容的有机物。当废水中含有难降解有机物或生物毒性污染物时（如许多芳香烃及其衍生物），直接利用生物法处理该种废水则面临着极大的挑战，尽管已提出利用酶去除某些芳香烃化合物，可是酶的活性等问题仍需解决。近年来，一种高级氧化技术（Advanced Oxidation Technologies，AOT），即利用光、声、电、磁或无毒试剂催化氧化技术处理有机废水,尤其是那些难于生化降解、对人类健康危害极大的“三致”（致癌、致畸、致突变）有机污染物,已成为当前世界水处理相当活跃的领域。电化学水处理技术是高级氧化技术的一种，因其具有其他水处理技术无法比拟的优点，近年来已受到国内外的广泛关注。
早在20世纪40年代,国外就有人提出利用电化学方法处理废水,但由于电力缺乏,成本较高,发展缓慢。20世纪60年代初期,随着电力工业的迅速发展,电化学水处理技术引起人们的注意。与其他AOT过程相比,电化学水处理技术的优点在于:1) 电子转移只在电极及废水组份间进行,不需另外添加氧化还原剂,避免了由另外添加药剂而引起的二次污染问题;2) 可以
通过改变外加电流、电压随时调节反应条件,可控制性较强;3) 过程中可能产生的自由基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;4) 反应条件温和,电化学过程一般在常温常压下就可进行;5) 反应器设备及其操作一般比较简单,如果设计合理,费用并不昂贵;6) 若排污规模较小,可实现就地处理;7) 当废水中含有金属离子时,阴、阳极可同时起作用(阴极还原金属离子,阳极氧化有机物) ,
以使处理效率尽可能提高,同时回收再利用有价值的化学品或金属;8) 既可以作为单独处理,又可以与其他处理相结合,如作为前处理,可以提高废水的可生物降解性;9) 兼具气浮、絮凝、消毒作用;10) 作为一种清洁工艺,其设备占地面积小,特别适合于人口拥挤城市污水处理. 因此,电化学水处理技术被称为“环境友好”技术,在绿色工艺方面极具潜力,可望得到广泛应用。
二国内外对该课题的研究动态
目前,国内电化学水处理技术的应用虽已有一定基础,但同国外相比还显得比较分散、不系统,又多集中在重金属去除及含氰废水处理方面。电化学法在有机废水处理方面的应用正逐步发展,但对其机理的研究还远远不够。在国外,电化学法处理有机废水的研究报道较多,对反应机理的探讨也比较深入和系统。在国内许多人正热衷于生物不相容的有机废水的研究与应用。杨卫身等研究了用复极性固定床电极处理偶氮类染料活性蓝和络合染料活性艳绿废水,其处理效果：COD去除效率可达50%以上,脱色率可达98%以上；对蒽醌染料废水的处理,COD 去除效率可达90%以上，脱色率近100%。在国外，日本Ebara Reaearch公司用热液电解氧化法处理有机废水，使废水中99%以上的有机物，如聚乙二醇酯、聚丙烯、乙二醇酯乳化剂、酚、乙酸等降解，并且利用电解产生的次氯酸根已成功应用于印染废水、甲醛废水和垃圾渗滤液的处理。
在阳极氧化的机理方面，现在存在两种认识：一类是污染物在电极上直接被氧化或还原，通过阳极氧化可使有机污染物和部分无机污染物转化为无害物质，阴极还原则可从水中去除重金属离子；另一类是间接电解，即用电化学方法产生一种氧-还剂（redox reagent,简写为R-O）,这种R-O作为中间媒介质在污染舞基质与电子之间往返穿梭来回传递电子，从而达到将污染物转变为无害产物的目的。
随着电化学法在有机废水方面研究的不断深入以及为了进一步提高电流效率和降低处理成本，国内外电化学氧化处理废水技术的发展主要体现在了三个方面: (1) 电化学反应器的结构:由单极性平板电极发展到三维填充床电极; (2) 供电方式:由直流供电发展为脉冲供电; (3) 电极材料:由石墨、铂、二氧化铅等传统电极材料发展到掺杂半导体材料。
三课题的主要内容
借鉴国内外在有机废水电化学处理方面的研究成果及最新进展，该研究拟朝三个方向有步骤的进行：
1．电-多相催化反应的研究
有机工业废水量大面广,大都是COD值高,色度深,难降解,很难进行治理,严重破坏生态环境。本实验拟利用的“电-多相催化作用及其反应器”, 依靠催化剂和外加电场的激活作用, 即电-多相催化作用, 处理工业废水, 处理后工业废水预期可直接达到排放标准。如对二硝基苯酚工业废水和含酚废水的处理、或对某些难降解的有机工业废水可以作为预处理及后续处理的关键装置, 即与其他的废水处理技术联用, 可以大大提高水质, 达到回用, 对开辟新的水资源发挥很大的作用。
①电-多相催化反应处理器填充材料即催化剂的选择
目前,常用的填充材料主要有金属导体、镀上金属的玻璃球或塑料球、金属氧化物、石墨以及活性炭等。这种填充物具有很大的表面积，价廉、牢固耐用、耐化学腐蚀，适用多种不同的电化学反应器。中科院大连物理研究所研制成功了负载型催化剂，并且与电催化相结合，利用催化活性组分与电激活的协同作用，使反应物分子活化，从而使得化学催化反应能够在较温和的条件下进行，大大的减少了投资费用。
实验中所选用的填充粒子分为单极性粒子群和复极性粒子群2种。单极性粒子群是在隔膜的电解槽的阳极室或阴极事室填充低阻抗的导电粒子，通过主电极使电极粒子表面带上与主电极相同的电荷，相当于主电极的外延部分，从而大大的增加了电极的表面积。电化学反应在阴阳极室各自进行，有机物会在阳极室被氧化而金属离子则在阴极室被还原。复极性粒
子群是在无隔膜的平板电极间充填高阻抗的导电粒子，在外加电场作用下，粒子因静电感应而极化，靠近主阳极的一端感应而成负极，而粒子的另一端感应而成正极，这样使每个粒子成为一个微型电解槽，电化学氧化和还原反应可在每一个粒子电极表面同时进行，大大的缩短了传质的距离，有效的利用了电解的空间。
实验中将采用的填充物包括Co,Ni,Fe,Cu,Ti或W中的一种或几种氧化物为活性组分担载在 SiO2,Al2O3,分子筛或活性炭的载体上。其中金属组分的质量分数设定为0.1%～10%，余量为载体。实验中，在电极周围填充催化剂，用蠕动泵连续循环进样。现有的研究结果表明，当填充PbO2时，对酚和苯胺可以取得较好的结果；当采用活性炭时，对印染废水的色度和COD 均有较好的去除率。
②固定床电极和流化床电极的选用
在三维电极电解槽中，粒子存在的方式有固定床和流动床2种。固定方式的粒子材料在床体中不会发生移动，处于相对稳定的状态，以填充床为代表；流动方式的粒子材料在床体中发生相对位移，处于流动状态，以流化床为典型代表。由于固定床电极的传质速率和处理效果都没有流动床显著，所以只作为对比实验。
实验中将会采用旋转电极和三相三维电极。旋转电极是在双阳极或单一阳极的基础上使其在阳极区内自旋或者沿旋转轴旋转，由于液体的流动和颗粒间的频繁碰撞，溶液与颗粒间的传质大大加快，颗粒的运动有助于不溶性反应产物的堵塞和填料的结块。
++
input
output _
catalyst
图1.旋转式流化床处理示意图图2.三相三维电极流化床处理示意图三相三维电极是填充床电极与气体扩散电极相结合开发出的一种新的电化学反应器，从反应器的底部通入气体可以起到搅拌的作用，提高传质速率；此外，还可以提供电极反应所需的氧气，生成强氧化剂H2O2。在反应过程中加入二价铁离子可以和已生成的H2O2反应生成强氧化性的HO·,研究结果表明，三相三维电极在降解酸性大红3R时具有更快的降解速率和更高的脱色率，其脱色率可提高30%到50%。