电催化氧化技术课件

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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。
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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：
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
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
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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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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；
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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
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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。
? 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。
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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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。
（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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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
Baidu Nhomakorabea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
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。
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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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。