电化学处理废水电极材料发展现状

电化学处理废水电极材料发展现状

蒋成杰*

摘要：我国水污染问题日益严重，迫切需要开发经济高效绿色的废水处理技术。电化学氧化技术以无二次污染、环境友好等优点在处理生物难降解有机废水领域受到广泛关注。电极材料是电化学氧化过程的核心，电极效率是制约电化学氧化处理废水技术实现工业应用的关键。本论文对国内外电化学法处理废水中常用的阳极和阴极材料的种类进行了总结，重点探讨了其优势和缺点，并对其发展方向进行了讨论，期望为我国的电化学电极材料的研究和使用提供基础性数据和参考。

关键词：电化学；废水；阴极材料；阳极材料；发展现状

1.引言

水是人类生存发展和维持良好生态环境不可缺少的自然资源，同时影响并制约现代社会的可持续发展。我国作为世界上13个贫水国家之一，不仅水资源短缺，而且水污染问题日益严重，引起广泛关注。对污染水体的有效处理并循环利用，不仅可以缓解我国水资源缺乏的压力，更重要的是减少了各种污染物对自然环境及人类生存的威胁。因此探究经济有效的处理废水方法和技术刻不容缓(毕强,2014)。

常用的处理废水的方法有物化法、生化法、高级氧化技术法等。随着对废水处理技术的深入研究，电化学法越来越受到研究者的重视。电化学法作为一种环境友好技术，与其它水处理工艺相比，有较多优势(L. J. J. Janssen, L K,2002)：（1）电化学过程中产生的自由基直接与废水中的有机污染物反应，氧化反应的电子转移仅在电极材料与有机污染物之间完成，不产生有毒有害中间产物，有效避免了二次污染问题；（2）电化学过程一般在常温常压下就可进行，反应条件温和，反应过程的可控制性较强；（3）电化学处理废水过程中，可以实现阴、阳极协同处理作用，而且电化学过程中往往还兼具气浮、絮凝、杀菌、消毒等作用；（4）电化学处理废水的工艺设计更加灵活，可以独立构成废水处理单元，也可以与其他水处理工艺耦合使用；（5）电化学处理废水技术的设备简单，不需要高温高压设备和贵金属催

*蒋成杰（1993~），男，硕士生，主要研究方向为废水处理。Email:

化剂，工艺简单且占地面积较小，易实现就地处理。

在电化学氧化处理生物难降解有机废水体系中，电极材料是“核心”。人们最为关心的是电极材料的催化活性，因为它直接影响着目标污染物降解效率的高低；不同的电极材料的电极/溶液界面性质相差较大，这影响整个氧化反应的速度及控制步骤。。本论文对国内外电化学法处理废水中电极材料的发展进行讨论，以期为我国电化学法处理废水的阴阳极材料的研发和使用提供参考和建议。

2.电化学法阳极材料发展现状

电极材料作为电化学过程的“核心”，是影响电化学废水处理工艺的主要因素。电化学氧化水处理过程的阳极材料研究经历了漫长的发展历史。由于废水成分复杂且污染物浓度往往存在波动性，导致电化学处理废水过程的阳极材料的处理效果一直并不理想。为了开发合适的电化学处理废水用高催化活性电极，针对电极材料的相关研究涵盖了金属电极、碳素电极、金属氧化物电极以及非金属氧化物电极等。

2.1金属电极

金属电极是指在电化学反应过程中，以单质金属作为工作电极，各种电化学反应都以该金属表面为反应界面完成电子转移。电化学废水处理过程常见的金属电极有铝、铁、钛及铂族金属等。赵锐柏等(赵锐柏, 薛永杰焦伟丽.,2013)利用铁阳极电絮凝法处理印染废水，研究证明电流密度、溶液pH值都会影响沉淀组成进而影响电絮凝效果，对印染废水的色度和COD 都有较好的去除率。熊蓉春等(熊蓉春，贾成功，魏刚,2002)研究了以不锈钢作为电极材料处理染料废水的过程和机理，实验结果表明，以不锈钢为电极材料的电化学过程对有机污染物具有较好的降解作用，而且短时间内脱色效果明显。张峰振等(张峰振，杨波，张鸿，等,2012)综述了电絮凝法处理废水的原理和特点，解析了Al3+、Fe3+的水解聚合过程，探讨了相关影响因素的作用。袁号等(袁号，陈元彩，胡志军,2007)以鞣酸模拟CTMP 废水作为研究对象，自行设计组装了循环伏安系统，考察了鞣酸在铂电极上的循环伏安特性；结果表明：随着鞣酸浓度的增加，峰电位开始逐渐增大，到一定浓度后略有下降，最后基本达到稳定值。Vlyssides A.G.(D., V A G P,2000)以Pt/Ti 电极为阳极，不锈钢为阴极电化学氧化处理印染废水，实验结果表明：在添加2ml 浓度为36%的HCI 调节废水pH 值，电流密度

0.89A/cm2的较佳条件下，废水的COD、BOD5、色度去除率分别为86%、71%、100%，电化学处理后的废水生化性提高。

金属电极在使用过程中，特别是在氧化作用下，极易发生氧化反应生成氧化膜覆盖在电极表面，使其钝化失活，这是金属电极难以解决的最大问题；铂族金属虽然稳定性及氧化活性都较高，但其成本太高。所以寻求低成本、高稳定性、高催化活性的金属材料作为电极，是金属电极研究领域的主要目标。

2.2碳素电极

碳素材料因其良好的导电性被广泛用作电极。碳素材料的性能因其组成结构及加工工艺的不同差别较大；其中人造石墨材料含杂质较少，导电、导热性较好，且具有较好的化学稳定性，是制作电极的优良材料。杨红斌等(杨红斌荆秀艳杨胜科,2010)利用石墨电极在低压脉冲电解作用下，对含油废水去油影响因素进行了单因素实验研究，结果表明：该方法对含油废水中油的去除率超过75%。KongY.(KONG, Y, WANG, Z and WANG, Y, et al.,2011)利用膨胀石墨电极电化学氧化处理甲基橙模拟废水，实验表明：经过石墨阳极的电氧化作用，废水色度的去除率可以达到98.6%，废水COD 去除率可以达到58.5%。其他学者利用碳素为阳极电化学处理废水在COD 和色度的去除方面都获得了较好的实验结果。

碳素电极在使用过程中有两个缺点：一是在有氧气析出的环境下，碳元素极易和氧发生反应生成CO 和CO2，造成石墨电极材料的腐蚀；二是碳素材料强度较低，电极在储运及使用过程中机械损耗较大。近年来，通过改变碳素材料组织结构，以及对其进行溶剂浸制等方式提高石墨材料的机械强度和耐蚀性的研究，成为该领域重要研究课题。

2.3金属氧化物电极

在电化学过程中，电催化活性最高的一类电极是金属氧化物电极，也叫“形稳阳极”（Dimensionally Stable Anode, DSA）。1968 年，Beer H. B.(B., B H,1972)研制的钛基金属涂层电极成功应用于氯碱工业，使电极材料的应用与研究进入了钛电极时代，其制备及改性研究一直成为国内外的研究热点(雷斌,2008)。钛基形稳阳极电催化氧化是近年发展起来的一项新技术，其对有机污染物的降解作用较强，尤其是废水中的生物难降解有机污染物在该类电极的电催化氧化作用下，可以彻底降解为H2O 和CO2，不产生二次污染。形稳阳极的成功开发和使用，克服了金属电极、石墨电极容易钝化失活，易腐蚀以及成本高等缺点。