電催化電極材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

喬勁松

（吉林建筑科技學(xué)院能源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

近些年，電催化氧化法已被廣泛用于有機(jī)污水的處理。電催化氧化法對有機(jī)廢水進(jìn)行處理時，主要是利用陽極高電位及催化活性，來對水中的有機(jī)物進(jìn)行直接降解，或者是利用產(chǎn)生的羥基自由基等強(qiáng)氧化劑對水中的有機(jī)物進(jìn)行降解。對廢水進(jìn)行處理的效果，在很大程度上取決于電極的選擇是否合理，在電化學(xué)處理廢水中，電極材料主要包括了金屬電極、活性炭纖維電極、金屬氧化物電極等。

有機(jī)廢水是指含有有機(jī)物質(zhì)且不能直接排放的污水。它廣泛存在于各種工業(yè)生產(chǎn)過程中，如化工、制藥、紡織、造紙、食品等。有機(jī)廢水的排放會對環(huán)境和人類健康造成很大的威脅，因此有必要對其進(jìn)行有效的處理。有機(jī)廢水的處理對于環(huán)保事業(yè)具有重要意義，同時也是工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)[1]。

1 電催化處理廢水應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 造紙工業(yè)廢水處理

本項目擬采用一層陽離子膜法從造紙黑液中提取堿，1t 堿電耗約3000kW-h，在末端pH9 的條件下，Na+的回收率達(dá)到50%，且陽極液中Na+含量在5000-7000mgL 之間，可直接循環(huán)使用。戴維等人建議將電催化法與傳統(tǒng)的堿水循環(huán)體系聯(lián)用，以從稀黑液中制取堿水及木素。在杭州水廠，采用聚乙烯異相陰陽離子膜對造紙黑液進(jìn)行了處理，并對其進(jìn)行了堿洗，在滲透室內(nèi)NaOH 含量為8.87g/L 時，堿洗回收率達(dá)到了95%。

1.2 對含酸污水的治理

上海光明電鍍車間在進(jìn)行金屬表面處理時，會排放出許多pH 值2-5 的酸性污水，日排放量約600m3。在原有的中和處理工藝中，堿度較高的情況下，改為電催化法，水的回收率可達(dá)90%，基本上實現(xiàn)了循化利用，污水的處理費用為0.3kWw-h/m3。

1.3 電化學(xué)污水治理

電鍍廢水中含有大量的鋅、鎘、鎳、銅，以及有毒的氰化物，不僅浪費了大量的資源，而且對環(huán)境也產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染。采用電滲析法、離子交換法和電滲析法相結(jié)合的方法，不僅可以回收廢渣，而且還可以降低廢渣的污染。

1.4 制藥工業(yè)廢液的治理

制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水不僅含有多種有機(jī)污染物，而且還含有多種有價值的物質(zhì)。目前，我國對該類廢水多采用離子交換樹脂進(jìn)行脫酸，但在脫酸過程中難免會附著一些氨基酸，當(dāng)樹脂再生時，這些氨基酸又以廢液形式排出，造成了資源的極大浪費。利用電滲析法對制藥企業(yè)生產(chǎn)的酸性氨基酸廢水進(jìn)行處理，廢水中的氨基酸、COD 去除率都達(dá)到了80%以上，對低濃、淺淡的廢水進(jìn)行了一級處理后，就可以達(dá)到排放要求，并且在濃水中的氨基酸含量比新鮮水高出20 多倍，在此基礎(chǔ)上，濃水中的氨基酸含量可以達(dá)到其飽和水平[2]。

1.5 對含硝基苯的廢水進(jìn)行治理

硝基苯是一種高毒性污染物，在國家環(huán)保部門已列入52 項重點治理對象。由于其具有致癌、突變和生育等多種毒性，以及難以被生物降解等特點，已被世界各國列為優(yōu)先治理的環(huán)境污染物。

1.6 治理酚類廢液

苯酚是一種重要的化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。酚類物質(zhì)具有較高的毒性，并具有致癌、致畸、致突變等潛在毒性，一旦被其污染，必然會對生物的生長、繁殖造成嚴(yán)重的危害，對人體的食物、飲水等造成嚴(yán)重的影響，從而對人體的健康造成嚴(yán)重的威脅。婁紅波等人采用廢棄1 號鋰電池中的碳棒作為電極，以燒杯為電解池，采用不同的支撐電解質(zhì)（Na2SO4）濃度，外加電壓，pH 值，以及苯酚的初始濃度，在常溫下，采用HPLC 法對其進(jìn)行了初步的實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得出：在不同支撐電解質(zhì)濃度，5.5V 的負(fù)載電壓，8.0 的pH 值下，最適宜的處理條件為：支撐電解質(zhì)濃度，鈉離子濃度為20.0g/L，負(fù)載電壓為5.5V，pH 為8.0。最后，初步討論了苯酚的降解機(jī)制[3]。

2 電催化電極材料的種類與特點

2.1 金屬氧化物類電極材料

金屬氧化物類電極材料是電催化技術(shù)中常用的一種類型，它主要由氧化鐵、氧化鋁、氧化鈦等材料構(gòu)成。這些金屬氧化物材料具有化學(xué)惰性，優(yōu)異的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，能夠有效地催化有機(jī)廢水中的有機(jī)物質(zhì)。

其中，氧化鐵類電極材料是應(yīng)用最為廣泛的，其優(yōu)點在于比較容易制備、成本低廉且表面易于改性。氧化鋁類電極材料比氧化鐵類電極材料具有更高的穩(wěn)定性和耐酸堿性，其表面特性對于控制反應(yīng)速率也顯得更為重要。而氧化鈦類電極材料則因為其高的電子傳遞速率和催化活性，被廣泛用于UV-Vis/TiO2/氧化劑的一體化廢水處理系統(tǒng)中。

2.2 碳基材料類電極材料

碳基材料是電催化電極材料中常用的一類材料，其特點主要包括以下幾個方面。

1.良好的導(dǎo)電性能。碳基材料由于具有良好的導(dǎo)電性能，能夠提高催化活性，從而提高廢水處理效率。

2.特殊的化學(xué)性質(zhì)。碳基材料通常具有一定的親水性和親油性，從而能夠吸附和催化分解廢水中的污染物質(zhì)。

3.特殊的表面性質(zhì)。碳基材料的表面具有很大的比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，能夠提供更多的活性位點，有利于分解廢水中的有機(jī)物質(zhì)。

4.可以被再利用。與金屬和半導(dǎo)體電極材料相比，碳基材料相對便宜，易于制備和加工，且可以再利用，降低了處理成本。

針對碳基材料的優(yōu)點，在電催化廢水處理中大量得到了應(yīng)用，其種類包括碳纖維、碳納米管、石墨烯、活性炭等。這些碳基材料在電極表面形成電化學(xué)活性位點，通過電化學(xué)反應(yīng)去除有機(jī)廢水中的COD、BOD 等有害物質(zhì)。

3 電催化電極材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用

3.1 電催化電極材料的制備

電催化電極材料是一種通過電化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)有機(jī)廢水處理的重要材料，其制備過程具有重要的影響因素。本文從制備方法、材料選擇等角度探討了電催化電極材料的制備。

首先，電催化電極材料的制備方法主要包括物理方法、化學(xué)方法和生物方法等。其中，物理方法包括濺射法、沉積法、離子注入等，化學(xué)方法包括溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法等，生物方法則是利用微生物和植物等生物體產(chǎn)生的材料，如石墨烯等。

其次，電催化電極材料的選擇應(yīng)考慮其材料性質(zhì)和反應(yīng)機(jī)理。例如，選擇活性位點多、表面積大的材料能顯著提高反應(yīng)速率和反應(yīng)效果，而選擇穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高的材料能保證電化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定性。

最后，電催化電極材料的制備過程中需注意條件控制和雜質(zhì)消除等問題，以保證材料的純度和活性。因此，從制備方法、材料選擇和制備過程等方面對電催化電極材料進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，對有機(jī)廢水的處理具有重要的意義[4]。

3.2 電催化電極材料的性能

電催化電極材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用主要依賴于其優(yōu)異的性能。首先，電催化電極材料具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性中心，從而增強(qiáng)廢水中有機(jī)物的降解效果。其次，電催化電極材料的表面具有較高的電化學(xué)活性，能夠促進(jìn)反應(yīng)速率，加速有機(jī)污染物的降解過程。

3.3 電催化電極材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展

電催化電極材料是一種新型高效的處理技術(shù)。目前，研究人員已經(jīng)開發(fā)出各類電催化電極材料，并取得了一定的研究進(jìn)展。其中，以納米材料為代表的電催化電極材料在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用最受關(guān)注。

研究表明，納米材料具有非常優(yōu)異的電催化反應(yīng)性能。通過控制納米材料的尺寸和形態(tài)，可以有效提高電催化反應(yīng)的效率。另外，多種納米材料的復(fù)合也可以進(jìn)一步提高電催化反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。

在實際應(yīng)用中，電催化電極材料的選擇應(yīng)該根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合考慮。比如，在處理高濃度有機(jī)廢水時，可以選擇具有高比表面積的納米材料，以提高處理效率。而在處理低濃度有機(jī)廢水時，可以選擇具有高穩(wěn)定性和抗污染性的材料，確保長期穩(wěn)定的處理效果。

4 電催化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用前景

4.1 電催化電極材料的優(yōu)化

本文中提到，電催化電極材料是整個電催化技術(shù)的核心部分，其性能直接影響電催化反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。因此，對于電催化技術(shù)的未來發(fā)展來說，電極材料的優(yōu)化是一個非常重要的方向。

目前已經(jīng)有很多研究致力于電極材料的開發(fā)和性能改進(jìn)。

一方面，通過調(diào)配和改變電極材料的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)，可以使其更適合特定的有機(jī)廢水處理場景，同時提高電催化反應(yīng)的效率和穩(wěn)定性。

另一方面，新型的納米材料、復(fù)合材料和多功能材料的研發(fā)也為電極材料的性能提升提供了新的思路和空間。

未來，我們可以預(yù)見到，更多的優(yōu)秀電極材料將被引入有機(jī)廢水處理領(lǐng)域，并且它們的性能將不斷得到提升和改進(jìn)。同時，隨著電催化技術(shù)的深入發(fā)展，應(yīng)用場景將變得更加廣泛，有機(jī)廢水處理效率將得到更大的提高。

4.2 電催化技術(shù)與其他處理技術(shù)的集成研究

將電催化技術(shù)與其他處理技術(shù)集成研究是未來電催化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的重要發(fā)展方向。傳統(tǒng)的有機(jī)廢水處理方法往往存在處理效率低、能耗高等問題，而集成電催化技術(shù)可以彌補(bǔ)這些缺陷。例如電化學(xué)氧化和生物處理是常見的有機(jī)廢水處理方法，將它們與電催化技術(shù)相結(jié)合可以在提高處理效率的同時節(jié)省大量能源。此外，電催化技術(shù)集成其他處理技術(shù)還可以解決不同類型有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用難題。比如，集成電催化技術(shù)和膜技術(shù)可以在高鹽度有機(jī)廢水的處理中提供優(yōu)異的效果[5]。

4.3 電催化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)

在未來，電催化技術(shù)將會越來越廣泛地應(yīng)用于有機(jī)廢水處理中。相比傳統(tǒng)的處理方法，電催化技術(shù)具有更高的效率和更低的成本，尤其在微污染物的去除方面表現(xiàn)更加突出。此外，電催化技術(shù)還具有良好的適應(yīng)性，可以應(yīng)用于不同種類、不同濃度和不同pH 的有機(jī)廢水處理。

然而，電催化技術(shù)在應(yīng)用中也存在一些挑戰(zhàn)。首先，電催化電極材料的研究仍需進(jìn)一步深入。其次，電催化技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，需要考慮設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。此外，電催化技術(shù)的應(yīng)用仍需要與其他處理技術(shù)進(jìn)行集成，以提高處理效率和降低成本。

未來，我們可以通過以下途徑來進(jìn)一步推廣電催化技術(shù)在有機(jī)廢水處理中的應(yīng)用。首先，開展更深入的研究，以提高電催化電極材料的性能；其次，加強(qiáng)電催化技術(shù)與其他處理技術(shù)的集成研究，以進(jìn)一步提高處理效率和降低成本；最后，將電催化技術(shù)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，并積極開展技術(shù)推廣和應(yīng)用示范。

5 結(jié)語

電催化高級氧化是一種新型的水處理技術(shù)，其氧化能力強(qiáng)，無選擇性，反應(yīng)徹底，不產(chǎn)生二次污染，可連續(xù)運行，節(jié)省空間，在處理高濃度難降解有機(jī)廢水方面有著重要的應(yīng)用前景。因此，針對紙漿廢水組分復(fù)雜、污染物濃度高且難以處理的問題，提出了一種新型的電催化高級氧化技術(shù)。然而，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨著許多問題，例如，所需的設(shè)備條件、催化劑的循環(huán)利用等。所以，在我國，積極地進(jìn)行高級氧化技術(shù)的研究與應(yīng)用，這不僅對解決我國高濃度難降解有機(jī)廢水生化處理效果差和出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)等問題有著重要的現(xiàn)實意義，還對發(fā)展我國環(huán)保行業(yè)的高新技術(shù)有著更為深刻的意義。