電化學(xué)反應(yīng)器的生物膜電極材料性能概述研究

白紀(jì)睿

摘 要：電催化氧化法在污水凈化、垃圾滲濾液、制革廢水、印染廢水、煉油廢水等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，使人們對(duì)這一方法的期待更加迫切。但是，至今為止電催化氧化法在工業(yè)上應(yīng)用，還存在許多待解決的問(wèn)題。因此開(kāi)展電催化氧化法處理難生物降解有機(jī)廢水的研究開(kāi)發(fā)工作很有必要。本論文是電催化氧化在工業(yè)化過(guò)程中的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。從電催化氧化法處理有機(jī)廢水的實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，開(kāi)展有機(jī)污染物的電催化氧化降解機(jī)理及其歷程、電極材料研制、電催化氧化工藝的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電催化氧化法；生物膜電極材料性能；工業(yè)廢水的處理

1 引言

工業(yè)廢水由于生產(chǎn)過(guò)程、原料和產(chǎn)品的不同，而具有不同的性質(zhì)和成分，一種廢水往往含有多種成分。根據(jù)廢水的污染程度，工業(yè)廢水可分為凈廢水和濁廢水（或生產(chǎn)污水）兩類。凈廢水來(lái)自各種工業(yè)設(shè)備間接冷卻用水，僅水溫升高，污染輕微，可經(jīng)某些簡(jiǎn)單處理后循環(huán)使用或排入水體；濁廢水主要來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程中與物料直接接觸所排出的廢水，污染程度較重，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理才能循環(huán)使用或排入水體。根據(jù)濁廢水中所含成分，工業(yè)廢水也可分為無(wú)機(jī)廢水、有機(jī)廢水、混合廢水、放射性廢水等。由此可見(jiàn)，工業(yè)有機(jī)廢水不僅使水體BOD和COD值增大，其毒性還對(duì)人體、水體、魚(yú)體以及農(nóng)作物產(chǎn)生嚴(yán)重危害。隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)有機(jī)廢水的排放量和種類日益增加。它的大量排放給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重污染，有害于人類健康及生物的生長(zhǎng)繁殖，影響經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于用于有機(jī)污染物去除的生物膜電極材料，其降解性能的影響因素及作用機(jī)理卻鮮有報(bào)導(dǎo)，了解生物膜電極制備條件對(duì)電極表面形態(tài)及工作性能的影響，是生物膜電極材料應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)40年代國(guó)外就有人提出利用電化學(xué)法處理廢水，但由于電力缺乏，成本較高，發(fā)展緩慢。60年代開(kāi)始，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電化學(xué)法才被真正地用于廢水處理過(guò)程。

根據(jù)電催化氧化法處理廢水的需要，人們主要在DSA型氧化物電極涂層、制備方法、電極結(jié)構(gòu)和電極的應(yīng)用性能等方面進(jìn)行電極材料的研究和開(kāi)發(fā)工作，主要包含電極材料的開(kāi)發(fā)、電極結(jié)構(gòu)的研究、電極應(yīng)用性能的研究。Iniesta，Michuad等人用BDD電極在酸性介質(zhì)中進(jìn)行了酚的電化學(xué)氧化研究。梁鎮(zhèn)海等人研制了Ti/SnO2+Sb2O3+MnO2/PbO2陽(yáng)極用于氧化處理焦化含酚廢水。Polcaro等進(jìn)行了電化學(xué)降解廢水中的2-氯酚進(jìn)行Ti/SnO2和Ti/PbO2性能的研究。M.Fleiscmhamm，F(xiàn).Goodrdige及其合作者研制成功了復(fù)極式固定床電極（Bipolar Packed Bed Electrode簡(jiǎn)稱BPBE），槽內(nèi)電極材料在高梯度電場(chǎng)作用下復(fù)極化，形成復(fù)極粒子，分別在小顆粒兩端發(fā)生氧化一還原反應(yīng)，每一個(gè)顆粒都相當(dāng)于一個(gè)微電解池。由于每個(gè)微電解池的陰極和陽(yáng)極距離很小，遷移容易實(shí)現(xiàn)。由于整個(gè)電解槽相當(dāng)于無(wú)數(shù)個(gè)微電解池串聯(lián)組成，故效率成倍提高。

3 研究熱點(diǎn)

3.1 電催化氧化技術(shù)處理化工廢水的研究

使用二維或三維電極反應(yīng)器對(duì)某煉油廠的反滲透濃縮水和某氯醇法生產(chǎn)環(huán)氧丙烷過(guò)程中產(chǎn)生的皂化廢水進(jìn)行處理。研究反應(yīng)器型式、電流密度、通電時(shí)間、電解液流速、電極材料和相對(duì)面積等多種因素對(duì)廢水處理效果的影響。

3.2 有機(jī)污染物的電催化氧化降解動(dòng)力學(xué)的研究

研究有機(jī)物草酸在采用活性 Ti/Ir02一TaZO：電極為陽(yáng)極的圓柱形電化學(xué)反應(yīng)器中的整個(gè)降解過(guò)程。由于有機(jī)污染物的電催化降解包含兩條都屬于“直接電氧化”的反應(yīng)路徑，建立了能描述整個(gè)降解過(guò)程的瞬時(shí)電流效率與溶液本體有機(jī)物濃度的關(guān)系式。

3.3 電化學(xué)反應(yīng)器的流動(dòng)特性和傳質(zhì)性能研究

使用常見(jiàn)的脈沖響應(yīng)技術(shù)測(cè)定了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的濾壓式電化學(xué)反應(yīng)器的停留時(shí)間分布，并結(jié)合數(shù)值模擬手段（fluent軟件）加以驗(yàn)證傳質(zhì)強(qiáng)化的原因。

3.4 生物膜電極制備速度影響因素的研究

研究用于苯酚降解的生物膜電極制備過(guò)程中影響膜生長(zhǎng)速度的因素，分別討論基體材料、吸附方式、細(xì)菌含量、環(huán)境溫度、苯酚濃度和電流強(qiáng)度對(duì)微生物吸附速度的影響。研究生物膜厚度、降解體系組分、電極使用方式及溶解氧對(duì)生物膜電極降解苯酚性能的影響。

4 結(jié)論

電化學(xué)法兼具有高效和環(huán)保的特點(diǎn)，在無(wú)害化處理水中有機(jī)污染物方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。電極材料作為電化學(xué)技術(shù)應(yīng)用的核心，其開(kāi)發(fā)和性能的充分發(fā)揮是解決陽(yáng)極氧化和生物膜陰極水處理技術(shù)的關(guān)鍵。因此，本論文以處理水中有機(jī)污染物為目的，對(duì)電化學(xué)氧化技術(shù)和生物膜電極技術(shù)的高效應(yīng)用問(wèn)題開(kāi)展一系列基礎(chǔ)研究。生物膜電極材料是采用固定化技術(shù)將微生物固定在電極表面，形成一層生物膜。此類電極材料由于其結(jié)合了電化學(xué)和微生物雙重作用，使生物膜電極材料在水中污染物治理、儲(chǔ)能設(shè)備開(kāi)發(fā)及生物傳感領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景。

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