(完整)电催化高级氧化废水处理

课程论文
课程名称：________水处理原理与技术________ 题目：电催化高级氧化法的基本原理及应用姓名：____________________
指导教师：_ _
摘要：本文主要简述电催化高级氧化处理废水基本原理并列举部分当前该技术应用领域，如造纸厂废水、电镀废水、有机废水等。

关键词：电催化；高级氧化；废水处理
一、引言
随着废水处理技术的发展和完善，成分简单、生物降解性好的有机废水已能得到有效的控制，其中生物法是目前消除生活和工业废水中有机污染物最经济、最有效的方法[1]。

然而多数工业废水用生物法很难有效去除，由于国家对污染物排放的限制标准越来越高，因此迫切需要研究废水处理新方法和新技术。

二、电催化处理废水基本原理
电催化氧化技术是AOP 技术的一种, 因其具有其他处理方法难以比拟的优越性近年来受到极大关注[2-5]。

所谓电化学水处理技术就是利用外加电场作用, 在特定的电化学反应器内, 通过一系列设计的化学反应、电催化过程或物理过程, 达到预期的去除废水中污染物或回收有用物质的目的[6]。

电催化法处理废水应用起始于20 世纪40 年代[7]，但由于投资较大，电力缺乏，成本较高，因而发展缓慢。

直到60 年代，随着电力工业的发展，电化学法才被真正地用于废水处理过程。

近年来，由于电化学方法在污水净化、垃圾渗滤液、制革废水、印染废水、石油和化工废水等领域的应用研究进展，引起人们对这一方法的广泛关注[8-11]。

电催化方法被称为“环境友好”工艺，以其多种优势有着其它方法所不能比拟的特点：
（1）在废水处理过程中，主要试剂是电子，不需要添加氧化剂，没有或很少产生二次污染，可给废水回用创造条件；
（2）能量效率高，反应条件温和，一般在常温常压下即可进行；
（3）兼具气浮、絮凝、杀菌作用，可以通过去除水中悬浮物和选用特殊电极来达到去除细菌的效果，可以使处理水的保存时间持久；
（4）反应装置简单，工艺灵活，可控制性强，易于自动化，费用不高。

电催化氧化的机理主要是自由基反应。

在电催化条件下, 反应体系中将产生多种强氧化性物质,其中·OH 的产生量是最多的, 而反应过程中产生的活性中间
体H2O2 则是形成自由基的重要引发剂。

有机物(R)在·OH 作用下, 发生快速氧
化反应及自由基链反应,从而达到去除的目的。

但是若H2O2浓度过高时, 过量的
H2O2也会消耗·OH[12- 13]。

此外, 溶液中过量的H2O2也会与·OH 反应生成过氧化羟基自由基(·HO2),而·HO2的氧化性能相对于·OH较弱[14]。

三、电催化处理废水应用现状
3.1 造纸工业废水处理
利用单阳膜从造纸黑液中回收碱，回收1 t 碱电耗3000 kW·h 左右，当回收终点黑液pH 值为9时，Na+回收率为50%，阳极液中含Na+5000～7000mg/L，可
直接回用于生产。

Davy 等提出了电催化与传统碱回收系统相结合的生产流程，处理稀黑液得到碱和木质素。

国家海洋局杭州水处理中心利用聚乙烯异相阳离子、阴离子膜处理造纸黑液，回收其中的烧碱，渗析室NaOH 质量浓度为8.87 g/L，碱回收率达95%[15]。

3.2 酸性废水处理
上海光明电镀厂在金属表面加工处理过程中产生大量酸性废水，pH 值为2～5，每天排放600 m3左右。

原来采用中和法处理后排放，但消耗大量碱，后改用
电催化处理，可使水回收率达到90%以上，基本达到了循化使用，废水处理成本0.3 kW·h/m3 [16]。

3.3 电镀废水处理
电镀废水中常含有锌、镉、镍、铜等重金属离子及氰化物等毒性较大的物质，既造成资源浪费又严重污染环境。

通过电渗析-离子交换-电渗析组合工艺，既能实现资源的回收利用，又可以减少污染的排放。

日本一家精炼钢厂的含硫酸镍的硫酸废液，利用日本旭化成公司生产的具有特殊性能的离子交换膜电渗析装置，实现了镀镍废水的闭路循环。

徐传宁等[17]用电渗析技术处理含铬电镀废水，有
效地净化了漂洗废水，使Cr6+离子得到回收，废水中的Cr6+离子浓度达到国家废水排放标准。

3.4 医药废水处理
制药厂废水中含有大量的有机物及许多有价值的物质，氨基酸就是其中的一种。

目前国内对这类废水的处理大部分都采用离子交换树脂来脱酸，这样树脂不
可避免地要附上一部分氨基酸，树脂再生时这部分氨基酸就作为废液排放掉，造成资源的浪费。

采用电渗析来处理制药厂酸性氨基酸废水，废水氨基酸和COD 脱除率均可达80%，低浓浅色废水经一级处理即可达排放标准，浓缩水中氨基酸的浓度是淡水中的20 倍，同时浓水中氨基酸浓度可接近其饱和浓度[18]。

3.5 硝基苯废水处理
硝基苯类化合物是剧毒物质, 是我国环境保护中优先控制的52种有害物质之一。

具有致癌、致突变性或生殖毒性, 且难生物降解, 许多国家都将其列为优先控制的污染物。

吴伟等[19]通过活性炭粒子填充电极间的电催化反应器对模拟硝基苯废水进行预处理, 使生物难降解的硝基苯转化为易生物降解的苯胺, 探索有效削减废水毒性、提高废水可生化性的途径, 探讨电催化氧化技术中主要因素对硝基苯去除率的影响规律。

3.6 苯酚废水处理
酚类化合物作为有机化学工业的基本原料, 广泛应用于工业制造中。

由于酚的毒性大、具有致癌、致畸、致突变的潜在毒性, 当其污染水体和土壤后,势必危害生物生长繁殖和影响人类食品及饮用水安全, 进而威胁人类健康, 因此对含酚工业废水的排放必须有严格的规定。

娄红波等[20]以废旧一号干电池中的碳棒
作电极, 用烧杯作电解池, 在室温下, 通过改变支持电解质 (Na
2SO
4
)浓度、负载
电压、pH值和苯酚初始浓度等影响因素, 对苯酚模拟废水进行电化学处理, 利用
高效液相色谱仪对其处理效果进行了分析研究, 结果表明:支持电解质(Na
2SO
4
)
浓度为20.0 g/L、负载电压为5.5 V、pH值为8.0是处理苯酚模拟废水的最佳条件。

最后对苯酚的降解机理进行了初步探讨。

四、结语
电催化高级氧化技术是近年来新兴的水处理技术，与传统的水处理方法相比，高级氧化技术具有氧化能力强、氧化过程无选择性、反应彻底、无二次污染、可连续操作及占地面积小等优点，对高浓度、难降解有机物废水的处理具有极大的应用价值。

为此，电催化高级氧化技术给成分复杂、污染物浓度高、难以处理的造纸废水处理开辟了新途径。

但是，要使这些技术工业化还存在一些亟待解决的问题，如电催化高级氧化技术对设备的要求及催化剂的回收等。

因此，在我国积
极开展高级氧化技术的研究与应用，不仅对解决我国高浓度难降解有机废水生化处理效果差和出水水质不达标等问题具有现实意义，而且对发展我国环境保护行业的高新技术具有更加深远的意义。

五、参考文献
[1]Ting‐Chi Hsu, Chih‐Sheng Chiang. Activated sludge treatment of dispersed
dye factory wastewater[J]. Journal of Environmental Science & Health Part A Environmental Science & Engineering & Toxicology, 1997, 32(7):1921-1932. [2]Gandini D, Mahé E, Michaud P A, et al. Oxidation of carboxylic acids at
boron-doped diamond electrodes for wastewater treatment[J]. Journal of Applied Electrochemistry, 2000, 30(12):1345-1350.
[3]Iniesta J, Michaud P A, Comninellis C. Electrochemical oxidation of phenol at
boron-doped diamond electrode[J]. Electrochimica Acta, 2001,
46(23):3573–3578.
[4]Gattrell M, Kirk D W. A study of electrode passivation during aqueous phenol
electrolysis[J]. Journal of the Electrochemical Society; (United States), 1993,
140:4(4):903-911.
[5]冯玉杰, 崔玉虹, 孙丽欣,等. 电化学废水处理技术及高效电催化电极的研究
与进展[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2004, 04期(4):450-455.
[6]陈薇, 邓冰葱. 电化学在环境工程领域中的应用[J]. 化学与粘合, 2004, 04
期:226-230.
[7]Sahu O, Mazumdar B, Chaudhari P K. Treatment of wastewater by
electrocoagulation: a review.[J]. Environmental Science & Pollution Research, 2013, 21(4):2397-2413.
[8]Marco P, Giacomo C. Electrochemical oxidation as a final treatment of synthetic
tannery wastewater.[J]. Environmental Science & Technology, 2004,
38(20):5470-5475.
[9]Vlyssides A, Barampouti E M, Mai S, et al. Degradation of methylparathion in
aqueous solution by electrochemical oxidation.[J]. Environ.sci.technol, 2004,
38(22):6125-6131.
[10]袁玮, 李海涛. 电化学催化氧化法降解海洋油田废水COD的工程实施[C]//
2001全国水处理技术研讨会. 2001:29-32.
[11]林海波, 费建民, 徐红,等. 电催化氧化法处理化肥厂外排废水的研究[J]. 工
业水处理, 2004, 04期(4):36-38.
[12]李天成, 朴香兰, 朱慎林. 电化学氧化技术去除废水中的持久性有机污染物
[J]. 化学工业与工程, 2004, 04期:268-271.
[13]程爱华, 张治宏. 活性炭填充电极电解法处理含酚废水的试验研究[J]. 西安
科技学院学报, 2002, 第4期(4):426-428.
[14]Pérez M, Torrades F, GarcıA-Hortal J A, et al. Removal of organic contaminants
in paper pulp treatment effluents under Fenton and photo-Fenton conditions[J].
Applied Catalysis B Environmental, 2002, 36(1):63–74.
[15]杜仰民. 造纸工业废水治理进展与评述[J]. 工业水处理, 1997, 第3期(3):1-5.
[16]张慧, 朱淑飞, 鲁学仁. 膜技术在水处理中的应用与发展[J]. 水处理技术,
2002, 05期(5):256-259.
[17]钱军, 郭素娟. 电渗析法净化处理含铬电镀废水的研究[J]. 环境科学, 1981,
02期:18-23.
[18]刘跃进. 电渗析法处理制药厂酸性氨基酸废水[D]. 华东化工学院, 1988.
[19]吴伟, 吴春笃. 电催化氧化技术处理硝基苯废水的试验研究[J]. 环境科学与
技术, 2006, 11期(11):82-85.
[20]娄红波, 王建中, 张萍,等. 电化学法处理苯酚模拟废水的研究[J]. 环境科学
与管理, 2008, 02期(2):51-51.。