电催化氧化技术课件
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第七讲 电催化氧化技术
二是电化学燃烧过程， 二是电化学燃烧过程，即将有机污染物深 度氧化，最终产物为水和二氧化碳。 度氧化，最终产物为水和二氧化碳。电化学燃 烧较普通的燃烧所需的温度低， 烧较普通的燃烧所需的温度低，并且产生的二 次污染物少。这两种过程的实质是一样的， 次污染物少。这两种过程的实质是一样的，只 是氧化反应的程度不同。 是氧化反应的程度不同。 电化学技术的基本原理是使污染物在电极 上发生直接电化学反应或利用电极表面产生的 强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变 后者被称为间接电化学转化, ,后者被称为间接电化学转化,直接电化学转化 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, 物转化为无害物质,阴极还原则可从水中去除 重金属离子. 重金属离子.
阳极催化氧化降解有机物的基本原理是利用 有催化剂的阳极电极， 有催化剂的阳极电极，使吸附在其表面的有机 污染物发生催化氧化反应， 污染物发生催化氧化反应，使之降解为无害的 物质，或降解成容易进行生物降解的物质， 物质，或降解成容易进行生物降解的物质，再 进行进一步的生物降解处理。 进行进一步的生物降解处理。 有机污染物在催化阳极上的直接氧化按其生 成产物的特征分为两种过程。 成产物的特征分为两种过程。 一是电化学氧化过程， 一是电化学氧化过程，主要依靠阳极的氧化 作用， 作用，将吸附在电极表面的有机污染物直接氧 化降解生成小分子， 化降解生成小分子，把有毒物质转变为无毒物 质，或把难以进行生物降解的有机污染物转化 为容易进行生物降解的物质。 为容易进行生物降解的物质。
一种是物理吸附的活性氧, 一种是物理吸附的活性氧,即吸附的羟基自 由基,另一种是化学吸附的活性氧, 由基,另一种是化学吸附的活性氧,即进入氧化 晶格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 晶格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 两种活性氧都发生反应，生成氧气。 两种活性氧都发生反应，生成氧气。 当溶液中有有机物存在时， 当溶液中有有机物存在时，物理吸附的氧 OH)在 电化学燃烧”过程中起主要作用， (·OH)在“电化学燃烧”过程中起主要作用，而化 学吸附的氧(MOx+1 则主要参与“电化学转化” 学吸附的氧(MOx+1)则主要参与“电化学转化”， 即对有机物进行有选择的氧化( 即对有机物进行有选择的氧化(对芳香类有机 物起作用而对脂肪类有机物不起作用) 物起作用而对脂肪类有机物不起作用)。 电催化反应的共同特点是反应过程包含两个 以上的连续步骤, 以上的连续步骤,且在电极表面上生成化学吸 附中间物。 附中间物。
《电催化氧化技术》课件
《电催化氧化技术》PPT 课件
电催化氧化技术是一种高效的环境治理技术，利用电极上的催化剂催化氧化 废水和废气中的有机物质，实现清洁环境的目标。
一、介绍
1 定义
电催化氧化技术是一种利用电化学反应进行废水和废气处理的技术。
2 背景
该技术的发展源于对环境污染的关注和需求。
3 目的
其目的是有效地去除废水和废气中的有机物质，净化环境，保护健康和生态平衡。
2 电极材料的研发
开发更稳定、延长电极 寿命的材料，减少运营 成本。
3 技术应用领域的扩展
将电催化氧化技术应用 于更广泛的领域，如废 弃物处理等。
六、结语
1 总结
电催化氧化技术是一种高效治理废水和废气的方法，具有广阔的应用前景。
2 展望未来
随着科技的发展，电催化氧化技术将进一步完善并推动环境保护事业的发展。
二、原理
1 电催化氧化反应原理
通过电化学反应，将有机物质氧化成无害的产物。
2 催化剂的选择
选择合适的催化剂能提高反应速率和效率。
3 电极的选择
选择合适的电极材料能提供稳定的催化活性。
三、应用
污水处理
电催化氧化技术可以高效去除污水中的有机 物质，达到水质净化的目标。
有机废液处理
电催化氧化技术可有效去除有机废液中的有 害物质，实现废液的处理和再利用。
废气处理
该技术可将废气中的有机物质转化为无害物 质，降低大气污染。
生物质能源
该技术可将生物质转化点与挑战
优点
高效、环保、可控性好，具有广泛的应用前景。
挑战
催化剂稳定性、电极寿命、运营成本等方面仍 存在挑战。
五、未来发展方向
1 新型催化剂的研究
研发更高效、稳定的催 化剂，提高反应速率和 效率。
电催化氧化技术是一种高效的环境治理技术，利用电极上的催化剂催化氧化 废水和废气中的有机物质，实现清洁环境的目标。
一、介绍
1 定义
电催化氧化技术是一种利用电化学反应进行废水和废气处理的技术。
2 背景
该技术的发展源于对环境污染的关注和需求。
3 目的
其目的是有效地去除废水和废气中的有机物质，净化环境，保护健康和生态平衡。
2 电极材料的研发
开发更稳定、延长电极 寿命的材料，减少运营 成本。
3 技术应用领域的扩展
将电催化氧化技术应用 于更广泛的领域，如废 弃物处理等。
六、结语
1 总结
电催化氧化技术是一种高效治理废水和废气的方法，具有广阔的应用前景。
2 展望未来
随着科技的发展，电催化氧化技术将进一步完善并推动环境保护事业的发展。
二、原理
1 电催化氧化反应原理
通过电化学反应，将有机物质氧化成无害的产物。
2 催化剂的选择
选择合适的催化剂能提高反应速率和效率。
3 电极的选择
选择合适的电极材料能提供稳定的催化活性。
三、应用
污水处理
电催化氧化技术可以高效去除污水中的有机 物质，达到水质净化的目标。
有机废液处理
电催化氧化技术可有效去除有机废液中的有 害物质，实现废液的处理和再利用。
废气处理
该技术可将废气中的有机物质转化为无害物 质，降低大气污染。
生物质能源
该技术可将生物质转化点与挑战
优点
高效、环保、可控性好，具有广泛的应用前景。
挑战
催化剂稳定性、电极寿命、运营成本等方面仍 存在挑战。
五、未来发展方向
1 新型催化剂的研究
研发更高效、稳定的催 化剂，提高反应速率和 效率。
电催化氧化技术讲座
当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生 氧析出反应：
DSA类电极通过改进材料及涂层结构提供了较高 的析氧过电位，防止阳极氧气的析出，提高其电 流效率。
优点：由于DSA类电极的化学和电化学性
质能够随着氧化物膜的材料组成和制备方
法而改变，因而能够获得良好的稳定性和
催化活性。
缺点：有效电极面积很小，传质差，导致
单位时空产率较小。
b. 三维电催化电极
定义：在原有的二维电极之间装填粒状或其他 屑状工作电极材料，致使装填电极表面带电， 在工作电极材料表面发生电化学反应。 优点：面积比较大且能以较低的电流密度提供 较大的电流强度；粒子之间间距小，物质传质 极大改善；单位时空产率和电流效率均极大提 高，尤其对低电导率废水，其优势更是明显。 三维电极可分为：单极性电极、复极性电极、 多孔电极 。
电催化去除污染物的基本原理
直接还原
电化学还原
间接还原 直接氧化 电化学氧化 间接氧化 电凝聚作用 电浮选 光电化学氧化 电化学燃烧 电化学转换
1. 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生
还原。
基本反应式为：M2+ + 2e- → M。
许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该
法可使多种含氯有机物转变成低毒性物质，提高
1. 催化电极与电极材料的种类；
2. 催化电极的性能；
3. 电催化电极的组成及结构（表 面材料、基础电极、载体和电 极表面结构）；
1. 催化电极与电极材料的种类
（1）催化电极的种类
主要分为两大类：二维电极；三维电 极； （流化床电极）
a. 二维电催化电极
应用最广泛的是DSA类电极。 DSA电极——以特殊工艺在金属基体（如Ti，Zr， Ta，Nb等）上沉积一层微米或亚微米级的金属氧 化物薄膜（如SnO2 ，IrO2 ，RuO2 ，PbO2 等）而 制备的稳定电极。
电催化氧化技术ppt课件
29
（3）良好的稳定性：能够耐受杂质及中间产物的作用而
不致较快地被污染（或中毒）而失活，并且在实现催化反 应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去 催化活性；
（4）良好的机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。
电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。电极 材料的不同可以使反应速度发生数量级的变化。改变电极 材料的性质，既可以通过变换电极基体材料来实现，也可 以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性而实现。 电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。
（1）电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把难 生化的有机物转化为易生化的物质（如芳香物开环氧化为脂 肪酸），以便进一步实施生物处理；
（2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和 产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。
载体必须具备良好的导电性及抗电解液腐蚀的性能，其作 用可分为两种情况：支持和催化，相应地可以将载体分为两 种情况：
35
（1）支持性载体：仅作为一种惰性支撑物，只参与导电过 程，对催化过程不做任何贡献；
——催化物质负载条件不同只会引起活性组分分散度的变化 （2）催化性载体 ：载体与负载物存在某种相互作用，这种 相互作用的存在修饰了负载物质的电子状态，其结果可能会 显著改变负载物质的活性和选择性。同时，载体与负载物之 间的结合程度是影响电催化电极性能的重要因素（影响电极 的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
10
3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
（3）良好的稳定性：能够耐受杂质及中间产物的作用而
不致较快地被污染（或中毒）而失活，并且在实现催化反 应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去 催化活性；
（4）良好的机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。
电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。电极 材料的不同可以使反应速度发生数量级的变化。改变电极 材料的性质，既可以通过变换电极基体材料来实现，也可 以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性而实现。 电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。
（1）电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把难 生化的有机物转化为易生化的物质（如芳香物开环氧化为脂 肪酸），以便进一步实施生物处理；
（2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和 产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。
载体必须具备良好的导电性及抗电解液腐蚀的性能，其作 用可分为两种情况：支持和催化，相应地可以将载体分为两 种情况：
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（1）支持性载体：仅作为一种惰性支撑物，只参与导电过 程，对催化过程不做任何贡献；
——催化物质负载条件不同只会引起活性组分分散度的变化 （2）催化性载体 ：载体与负载物存在某种相互作用，这种 相互作用的存在修饰了负载物质的电子状态，其结果可能会 显著改变负载物质的活性和选择性。同时，载体与负载物之 间的结合程度是影响电催化电极性能的重要因素（影响电极 的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
10
3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
电催化氧化技术PPT课件
电化学反应只是简单电极上的反应，其处理效率明显比电 催化反应低。
.
9
三.电催化去除污染物的基本原理
直接还原
电化学还原 间接还原
电化学氧化 电凝聚作用
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
.
10
3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
.
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3.4 电浮选
在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和 阳极上分别析出H2和O2，产生直径很小（约8~15μm）、 分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬 浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除， 从而达到分离污染物的目的。
.
16
间接氧化：通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产 物或发生阳极反应之外的中间反应生成的中间物质 （·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
.
17
为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须 满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位；
.
2
一.电 化 学
电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能
转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行
.
3
原电池：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。 原电池组成：
① 电极
.
14
阳极表面氧化过程分两阶段进行—— 首先溶液中的H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基: MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
.
9
三.电催化去除污染物的基本原理
直接还原
电化学还原 间接还原
电化学氧化 电凝聚作用
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
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3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
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3.4 电浮选
在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和 阳极上分别析出H2和O2，产生直径很小（约8~15μm）、 分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬 浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除， 从而达到分离污染物的目的。
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16
间接氧化：通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产 物或发生阳极反应之外的中间反应生成的中间物质 （·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
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17
为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须 满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位；
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2
一.电 化 学
电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能
转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行
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3
原电池：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。 原电池组成：
① 电极
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阳极表面氧化过程分两阶段进行—— 首先溶液中的H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基: MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
电催化与有机废水处理ppt课件
影响电催化氧化效率的因素
反应体系PH值可以影响氧化效率， 经实验证实，PH值越高，水中有机 物降解去除率越高。
影响电催化氧化效率的因素
对于半导体催化剂，只有外加电场达 到一定的强度时，它才会有明显的“空穴 效应”。 一般来说，随着外加电压的升高，体 系产生自由基的速率也增大，有机物的去 除效率也就提高了。
烃类有机物 醛类有机物
醇类有机物 酚类有机物 胺类有机物
电催化氧化技术的应用
处理水中烃类有机物
电催化氧化技术处理水中烃类有机物时，一 般去油量会达到93%～95% 对含油量为150mg/L以下的废水，处理后加 混凝剂过滤，可以降到0.7mg/L以下 对水溶性较大的烃类有机物，该技术通常应 用石墨颗粒组成的三维复极性固定床电极 来提高其处理效果。
电极材料研究不断取得进展
出现了钌钛涂层的金属阳极 D.S.A（也叫“形稳阳极”）并实 现了工业化，该电极大大提高了电 流效率和电极寿命。
电催化氧化技术的发展
近几年来，国内外开展了一系列研究工 作，并取得了一些进展。
E. Brillas等用Pb/PbO2电极和氧气气体扩散电极 降解了苯胺和4-氯苯胺
电催化氧化技术的应用
除石墨、Pt、PbO2等析氧过电 位较高的电极材料外,近年来还发现, 一些掺杂半导体电极具有较高的析氧、 析氯过电位,可防止有毒卤代物生成而 造成二次污染。
影响电催化氧化效率的因素
（1）催化电极本身的催化活性 （2）反应体系的PH值 （3）反应体系的电压
影响电催化氧化效率的因素
电催化氧化技术
该技术采用外加电场,其反应在电极/溶液 界面进行。该技术特别适用于生物难降解 或一般化学氧化难以奏效的水中有机物的 处理。
电催化氧化技术的发展
高级氧化技术ppt课件
高级氧化技术
一、概述 二、电化学基本原理 三、电催化氧化技术降解有机物的机理 四、动力学参数-反应机理的判据 五、典型电催化反应的机理 六、电催化电极 七、影响电催化氧化技术效率的因素 八、几种典型高级氧化技术及其比较 九、电催化与常规化学催化的区别 十、在环境污染控制中的应用 十一、应用前景及存在问题
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间接氧化是通过阳极在高电势下产生的羟基等自由基 与污染物分子作用,这种自由基是具有高度活性的强氧 化剂C（也可以是催化剂）,通过对有机物产生脱氢、 亲电子和电子转移作用,形成活化的有机自由基,产生 连锁自由基反应,使有机物迅速完全降解,故也称为电 化学燃烧。间接氧化在一定程度上既发挥了阳极直接 氧化的作用,又利用了产生的氧化剂,使处理效率显著 提高。
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二、电化学基本原理
电化学技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接 电化学反应或利用电极表面产生的强氧化性活性物种 使污染物发生氧化还原转变，后者被称为间接电化学 转化，见下图：
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直接电化学转化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。这两个过程同时伴生放出H2和O2的副 反应，使电流效率降低，但通过电极材料的选择和电 位控制可加以防止，且很少产生羟基自由基,处理效率 不理想。
五、典型电催化反应的机理
1、氢析反应与分子氢的氧化 氢析出反应是非常重要的电极反应，不仅因为水电解制 备氢是获取这种洁净能源的有效途径，而且它是水溶液 中其他阴极过程的伴随反应。其反应机理可表示为：
2 H O 2 eH 2 H O ( 酸 性 溶 液 中 ) 3 2 2
2 H O 2 eH 2 O H ( 碱 性 溶 液 中 ) 2 2
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一、概述 二、电化学基本原理 三、电催化氧化技术降解有机物的机理 四、动力学参数-反应机理的判据 五、典型电催化反应的机理 六、电催化电极 七、影响电催化氧化技术效率的因素 八、几种典型高级氧化技术及其比较 九、电催化与常规化学催化的区别 十、在环境污染控制中的应用 十一、应用前景及存在问题
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间接氧化是通过阳极在高电势下产生的羟基等自由基 与污染物分子作用,这种自由基是具有高度活性的强氧 化剂C（也可以是催化剂）,通过对有机物产生脱氢、 亲电子和电子转移作用,形成活化的有机自由基,产生 连锁自由基反应,使有机物迅速完全降解,故也称为电 化学燃烧。间接氧化在一定程度上既发挥了阳极直接 氧化的作用,又利用了产生的氧化剂,使处理效率显著 提高。
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二、电化学基本原理
电化学技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接 电化学反应或利用电极表面产生的强氧化性活性物种 使污染物发生氧化还原转变，后者被称为间接电化学 转化，见下图：
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直接电化学转化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。这两个过程同时伴生放出H2和O2的副 反应，使电流效率降低，但通过电极材料的选择和电 位控制可加以防止，且很少产生羟基自由基,处理效率 不理想。
五、典型电催化反应的机理
1、氢析反应与分子氢的氧化 氢析出反应是非常重要的电极反应，不仅因为水电解制 备氢是获取这种洁净能源的有效途径，而且它是水溶液 中其他阴极过程的伴随反应。其反应机理可表示为：
2 H O 2 eH 2 H O ( 酸 性 溶 液 中 ) 3 2 2
2 H O 2 eH 2 O H ( 碱 性 溶 液 中 ) 2 2
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3.2电化学氧化
? 直接氧化：污染物直接在阳极失去电子而发生氧化，有机物 的直接电催化氧化分两类进行。
（1）电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把难 生化的有机物转化为易生化的物质（如芳香物开环氧化为脂 肪酸），以便进一步实施生物处理；
（2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和 产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
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阳极表面氧化过程分两阶段进行 —— 首先溶液中的 H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基 : MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
然后吸附的氢氧自由基中的氧转移给金属氧化物晶格， 形成高价氧化物：
MOx (·OH) → MOx+1 + H+ + e-
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当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出 反应：
7
2. 在常规化学催化反应中，电子的转移过程无法从外部 加以控制；
电催化反应过程中可以利用外部回路控制电流，使反 应条件、反应速度比较容易控制，并可以实现一些剧烈 的电解和氧化-还原反应的条件。 ——电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速 度快慢的依据
8
——与电化学相比 电催化反应在电化学反应的基础之上，主要是在电极上 修饰表面材料及化学材料来产生强氧化性的活性物种，从 而提高其降解有机物的能力； 电化学反应只是简单电极上的反应，其处理效率明显比 电催化反应低。
（2）氧化还原剂的产生速度足够大； （3）氧化还原剂与污染物的反应速度比其他竞争反应的 大；
（4）其他物质（或污染物）在电极上的吸附小 。
18
3.3 电凝聚作用
在电解过程当中，如果采用铝质或铁质的可溶性阳极，通 以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成金 属阳离子 Fe3+、Al 3+等，与溶液中的粒子形成具有絮凝作用 的胶体物质，这些物质可促使水中的胶态杂质絮凝沉淀，从 而实现污染物的去出。
2
一.电 化 学
? 电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电池：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能
? 转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行
3
原电池 ：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。 原电池组成：
① 电极
种含氯有机物转变成低毒性物质，提高产物的可生物降解 性。
如： R-Cl + H+ + 2e- → R-H + Cl- 。
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间接还原： 利用电化学过程中生成的一些还原性物质如 Ti 3+，V2+和Cr2+将污染物还原去除，如二氧化硫的间接电 化学还原可转化成单质硫：
SO2 + 4Cr2+ + 4H+ → S + 4Cr3+ + 2H2O
电催化技术
（Technology of Electrocatalysis)
第四组：陈良涛，李祎奔，王 劲松，陈哲，李鑫，詹宇航 1
主要内容
一. 电化学 二. 电催化的定义及特点 三.电催化去除污染物的基本原理 四. 电催化电极与电极材料的种类 五.电催化废水处理反应器形式及应用 六.电催化技术的优点、局限性及展望
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三.电催化去除污染物的基本原理
电化学还原
直接还原 间接还原
直接氧化 电化学氧化
间接氧化 电凝聚作用
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
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3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
根据离子迁移的方向，又分为：
阴极：是阳离子移向的一极 阳极：是阴离子移向的一极
电解NaOH 的电解池
二.电催化的定义及特点
2.1定义：
在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物 能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面 或溶液相中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作用。
6
2.2 电催化的特点：
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3.4 电浮选
在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和 阳极上分别析出 H2和O2，产生直径很小（约 8~15μm）、 分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬 浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除， 从而达到分离污染物的目的。 可通过调节电流、电极材料、 pH值和温度可改变产气量 及气泡大小，满足不同需要。
? 1. 在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电 子传递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程中，既 不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或 获得电流；
? 在电极催化反应中有纯电子的转移。电极作为一种非 均相催化剂既是反应场所，又是电子的供 —受场所，即电 催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。
16
间接氧化： 通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产 物或发生阳极反应之外的中间反应生成的中间物质 （·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
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为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须 满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位；
负极：电子流出的一极， 发生氧化反应。
正极：电子流入的一极， 发生还原反应。
② 盐桥
盐桥中装有饱和的KCl 溶液和 琼脂制成的胶冻。
铜锌原电池 （丹尼尔电池）
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电 解：在外电源的作用下被迫 发生的氧化还原过程。
电解池：将电能转变为化学能的 装置。
阳极：与正极相联 （抽走电子） 阴极：与负极相联 （供给电子）
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—— 在金属氧化物 MOx阳极上生成的较高价金属氧化物 MOx+1 有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物； —— 在MOx阳极上生成的自由基 MOx (·OH)有利于有机物氧化 燃烧生成CO2。
具体反应机理如下：在氧析出反应的电位区，金属氧化物表 面可能形成高价态氧化物，因此在阳极上存在两种状态的活性 氧，即吸附的氢氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧。
MOx (·OH) →O2 + MOx + H+ + eMOx+1 → MOx + O2
当溶液中存在可氧化的有机物 R时，反应如下: R + MOx (·OH) → CO2 + MOx + H+ + eR + MOx+1 → MOx + RO
在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中， 直接电化学氧化发挥了非常有效的作用。
3.2电化学氧化
? 直接氧化：污染物直接在阳极失去电子而发生氧化，有机物 的直接电催化氧化分两类进行。
（1）电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把难 生化的有机物转化为易生化的物质（如芳香物开环氧化为脂 肪酸），以便进一步实施生物处理；
（2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和 产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
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阳极表面氧化过程分两阶段进行 —— 首先溶液中的 H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基 : MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
然后吸附的氢氧自由基中的氧转移给金属氧化物晶格， 形成高价氧化物：
MOx (·OH) → MOx+1 + H+ + e-
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当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出 反应：
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2. 在常规化学催化反应中，电子的转移过程无法从外部 加以控制；
电催化反应过程中可以利用外部回路控制电流，使反 应条件、反应速度比较容易控制，并可以实现一些剧烈 的电解和氧化-还原反应的条件。 ——电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速 度快慢的依据
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——与电化学相比 电催化反应在电化学反应的基础之上，主要是在电极上 修饰表面材料及化学材料来产生强氧化性的活性物种，从 而提高其降解有机物的能力； 电化学反应只是简单电极上的反应，其处理效率明显比 电催化反应低。
（2）氧化还原剂的产生速度足够大； （3）氧化还原剂与污染物的反应速度比其他竞争反应的 大；
（4）其他物质（或污染物）在电极上的吸附小 。
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3.3 电凝聚作用
在电解过程当中，如果采用铝质或铁质的可溶性阳极，通 以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成金 属阳离子 Fe3+、Al 3+等，与溶液中的粒子形成具有絮凝作用 的胶体物质，这些物质可促使水中的胶态杂质絮凝沉淀，从 而实现污染物的去出。
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一.电 化 学
? 电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电池：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能
? 转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行
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原电池 ：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。 原电池组成：
① 电极
种含氯有机物转变成低毒性物质，提高产物的可生物降解 性。
如： R-Cl + H+ + 2e- → R-H + Cl- 。
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间接还原： 利用电化学过程中生成的一些还原性物质如 Ti 3+，V2+和Cr2+将污染物还原去除，如二氧化硫的间接电 化学还原可转化成单质硫：
SO2 + 4Cr2+ + 4H+ → S + 4Cr3+ + 2H2O
电催化技术
（Technology of Electrocatalysis)
第四组：陈良涛，李祎奔，王 劲松，陈哲，李鑫，詹宇航 1
主要内容
一. 电化学 二. 电催化的定义及特点 三.电催化去除污染物的基本原理 四. 电催化电极与电极材料的种类 五.电催化废水处理反应器形式及应用 六.电催化技术的优点、局限性及展望
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三.电催化去除污染物的基本原理
电化学还原
直接还原 间接还原
直接氧化 电化学氧化
间接氧化 电凝聚作用
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
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3.1 电化学还原
直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
根据离子迁移的方向，又分为：
阴极：是阳离子移向的一极 阳极：是阴离子移向的一极
电解NaOH 的电解池
二.电催化的定义及特点
2.1定义：
在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物 能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面 或溶液相中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作用。
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2.2 电催化的特点：
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3.4 电浮选
在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和 阳极上分别析出 H2和O2，产生直径很小（约 8~15μm）、 分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬 浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除， 从而达到分离污染物的目的。 可通过调节电流、电极材料、 pH值和温度可改变产气量 及气泡大小，满足不同需要。
? 1. 在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电 子传递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程中，既 不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或 获得电流；
? 在电极催化反应中有纯电子的转移。电极作为一种非 均相催化剂既是反应场所，又是电子的供 —受场所，即电 催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。
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间接氧化： 通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产 物或发生阳极反应之外的中间反应生成的中间物质 （·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
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为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须 满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位；
负极：电子流出的一极， 发生氧化反应。
正极：电子流入的一极， 发生还原反应。
② 盐桥
盐桥中装有饱和的KCl 溶液和 琼脂制成的胶冻。
铜锌原电池 （丹尼尔电池）
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电 解：在外电源的作用下被迫 发生的氧化还原过程。
电解池：将电能转变为化学能的 装置。
阳极：与正极相联 （抽走电子） 阴极：与负极相联 （供给电子）
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—— 在金属氧化物 MOx阳极上生成的较高价金属氧化物 MOx+1 有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物； —— 在MOx阳极上生成的自由基 MOx (·OH)有利于有机物氧化 燃烧生成CO2。
具体反应机理如下：在氧析出反应的电位区，金属氧化物表 面可能形成高价态氧化物，因此在阳极上存在两种状态的活性 氧，即吸附的氢氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧。
MOx (·OH) →O2 + MOx + H+ + eMOx+1 → MOx + O2
当溶液中存在可氧化的有机物 R时，反应如下: R + MOx (·OH) → CO2 + MOx + H+ + eR + MOx+1 → MOx + RO
在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中， 直接电化学氧化发挥了非常有效的作用。