電化學(xué)氧化技術(shù)去除有機(jī)物的研究進(jìn)展

李瑩瑩 郝麗娜

摘要：電化學(xué)氧化法因具有藥劑用量少、自動(dòng)化程度高、污染小及催化性能高等特點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。從介紹電化學(xué)氧化技術(shù)的原理出發(fā)，解析不同的電化學(xué)氧化技術(shù)和耦合技術(shù)，結(jié)合不同的方法闡述相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，并對(duì)電化學(xué)氧化技術(shù)的前景作出展望，以期電化學(xué)氧化技術(shù)能快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電化學(xué);有機(jī)污染物;電極;氧化

有機(jī)污染物（例如有機(jī)廢水）早在20世紀(jì)60年代就開始采用電化學(xué)法來處理，這得益于科學(xué)的發(fā)展帶來了電化學(xué)理論研究的發(fā)展以及涂層電極的出現(xiàn)。近年來，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，各種有機(jī)廢液和污水的成分更加復(fù)雜、難以降解，使用傳統(tǒng)的有機(jī)物處理方法已經(jīng)無法滿足要求。

電化學(xué)氧化技術(shù)主要有兩類。（1）直接氧化，泛指有機(jī)污染物直接被置于電極上經(jīng)過氧化后被降解的技術(shù)。（2）間接氧化，是指有機(jī)污染物經(jīng)過電化學(xué)處理時(shí)的電極顯示所產(chǎn)生的強(qiáng)烈氧化物被電子氧化或者降解[1]。直接氧化法去除有機(jī)物也可以分為電化學(xué)轉(zhuǎn)換法和電化學(xué)燃燒法兩種。轉(zhuǎn)化法主要是將空氣中的有機(jī)物氧化成小分子，達(dá)到降低毒性的目標(biāo);燃燒法主要是將空氣中的有機(jī)物氧化成無機(jī)物（例如水和CO2）的過程。

在多種有機(jī)物處理方法中，電化學(xué)氧化技術(shù)具有藥劑用量少、自動(dòng)化程度高、污染小及催化性能高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于有機(jī)廢棄物的處理。電化學(xué)氧化技術(shù)適用于多種場(chǎng)景有機(jī)廢液的去除，且工藝較為簡(jiǎn)單、占地面積較小、可控性強(qiáng)，但也存在高能耗、高成本和處理不徹底等不足。如今，電化學(xué)氧化技術(shù)單獨(dú)使用或者結(jié)合其他技術(shù)共同處理有機(jī)物均有廣闊的前景。

1 電化學(xué)氧化技術(shù)分類

電化學(xué)氧化技術(shù)是利用電化學(xué)對(duì)難以降解的有機(jī)廢棄物進(jìn)行直接氧化降解的過程，或者電解過程中電極周圍產(chǎn)生強(qiáng)氧化性中間產(chǎn)物對(duì)有機(jī)廢棄物等進(jìn)行間接氧化降解的過程。常用的電化學(xué)方法有電絮凝法、電滲析法、電氣浮法、磁電解法、微電解法、電沉積法、內(nèi)電解法、電芬頓法等[2]。電化學(xué)氧化技術(shù)還可以與其他技術(shù)耦合，形成光電催化氧化法、電化學(xué)-芬頓法、電化學(xué)-超聲氧化法等技術(shù)[3]。

1.1 電絮凝法

電絮凝法采用的陽極是鐵鋁。通直流電后，產(chǎn)生鐵離子和鋁離子，水解之后，經(jīng)過不斷的聚合和氧化，雜質(zhì)凝聚為絮狀沉淀，達(dá)到分離的目的。電絮凝法適用于生活污水和染色污水中有機(jī)廢棄物的去除，不但操作簡(jiǎn)便，而且使用范圍較廣。

1.2 內(nèi)電解法

內(nèi)電解法先將鐵碳改性，通過催化劑的作用直接在有機(jī)廢液中形成原電池，污染物在這些微小的原電池的正負(fù)極上被氧化降解。由于是直接在有機(jī)廢液中形成原電池降解，無需外加電壓，對(duì)鐵和碳的要求很低，廢料即可，具有成本低、投資少、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 電滲析法

電滲析法是采用直流電場(chǎng)，溶液中的離子通過離子交換膜進(jìn)行遷移，從而分離出電解質(zhì)的過程，主要利用離子交換膜的選擇透過性，具有設(shè)備易操作、便于管理維修、使用壽命較長(zhǎng)、回收率較高等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 電芬頓法

電芬頓法主要采用羥基自由基將有機(jī)污染物氧化降解為小分子。羥基自由基主要由電極周圍產(chǎn)生的雙氧水與二價(jià)鐵離子反應(yīng)形成。其中，主要的影響因素是電壓和電流，還受到pH、曝氣速率和電流密度等因素的影響?？偟膩碚f，電芬頓法具有便于自動(dòng)化控制的優(yōu)點(diǎn)，但由于電極效率較低、能耗較高，還未能大規(guī)模應(yīng)用。

1.5 光電催化氧化法

光電催化氧化法是一種增強(qiáng)高效版的光催化氧化技術(shù)，近年來發(fā)展迅猛，得到了廣泛應(yīng)用。此方法能充分利用光-電催化效應(yīng)，使原本不易分離的光生電子和空穴朝著不同方向分離，同時(shí)能利用光電協(xié)同作用，大幅度提高降解效率。

1.6 電化學(xué)-芬頓法

電化學(xué)-芬頓法的實(shí)質(zhì)是通過電化學(xué)生成方法，使傳統(tǒng)芬頓試劑法中需要添加的亞鐵離子及過氧化氫在反應(yīng)器中自動(dòng)生成，省去了傳統(tǒng)芬頓試劑法外加H2O2試劑的過程，且亞鐵離子由陰極生成，減少了處理后污泥的產(chǎn)量。另外，電化學(xué)-芬頓法對(duì)難降解有機(jī)物的降解作用也較強(qiáng)，如電陽極對(duì)有機(jī)物的直接氧化、電化學(xué)中間產(chǎn)物烴基自由基的間接氧化、電絮凝和電吸附等作用。

1.7 電化學(xué)-超聲氧化法

電化學(xué)-超聲氧化法是將超聲氧化與電化學(xué)法相互耦合的新型工業(yè)水處理技術(shù)。一方面，該技術(shù)利用強(qiáng)大的氣穴噴射劇烈攪拌反應(yīng)物，降低邊界效應(yīng)，以改善電極表面的溶液傳質(zhì);另一方面，超聲能產(chǎn)生聲空化效應(yīng)，在溶液局部容易形成短暫的高溫高壓環(huán)境，使反應(yīng)物大量分解出自由基，并且這種自由基具有較高的活性，提高了對(duì)有機(jī)物的氧化降解程度。同時(shí)，每一個(gè)空化泡的崩潰能在電極表面形成射流，也就形成了一個(gè)個(gè)連續(xù)的活化位點(diǎn)，使電極不易因有機(jī)物的吸附而受到污染，可以更大程度地維持電極的高度活躍狀態(tài)。

2 電化學(xué)氧化技術(shù)去除有機(jī)污染物

水體中的有機(jī)污染物雖然微量，但污染的持久性對(duì)人類和動(dòng)植物的正常生命活動(dòng)均造成了嚴(yán)重威脅，如何有效去除這些污染物已成為燃眉之急。一般的水處理技術(shù)成效不大。電化學(xué)氧化技術(shù)具有吸附、氧化降解、轉(zhuǎn)化有機(jī)污染物等功能，是去除有機(jī)污染物的有效手段。隨著技術(shù)的進(jìn)步，不同的電化學(xué)氧化技術(shù)相繼出現(xiàn)，適用的場(chǎng)景也各不相同[4]，采用不同的電化學(xué)氧化技術(shù)去除有機(jī)污染物的應(yīng)用如表1所示。

3 電化學(xué)氧化技術(shù)的發(fā)展前景

隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展進(jìn)步，環(huán)境污染也不斷加劇，有機(jī)污染物的凈化處理和低能耗處理已經(jīng)成為工業(yè)水處理技術(shù)的重點(diǎn)研究方向。電化學(xué)氧化技術(shù)是處理難以用微生物降解的有機(jī)廢液的有效手段之一，不斷深入探索和創(chuàng)新對(duì)我國(guó)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)具有重要意義。

然而，電化學(xué)氧化技術(shù)并未大規(guī)模應(yīng)用，首先是因?yàn)榻到鈾C(jī)理不明確，對(duì)其中形成的羥基自由基·OH無法跟蹤監(jiān)測(cè);其次是因?yàn)闆]有優(yōu)秀的電化學(xué)氧化降解的反應(yīng)器，由于影響有機(jī)污染物去除效果的因素較多，相關(guān)研究還比較少;最后是因?yàn)殡姌O消耗過多，成本較高且難以控制。這些問題都制約了電化學(xué)氧化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

影響電化學(xué)氧化技術(shù)去除有機(jī)污染物過程的要素也有很多，例如合適的電解質(zhì)溶液和濃度、適當(dāng)?shù)碾娊鈺r(shí)間以及電極材料的性質(zhì)等[5]。電解質(zhì)溶液的濃度控制十分重要，濃度變化對(duì)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化分解速率影響較大，也會(huì)影響去除有機(jī)污染物的成本。電解時(shí)間也是影響要素之一，有機(jī)廢液的電解時(shí)間越長(zhǎng)，電化學(xué)氧化越完全，但同時(shí)耗費(fèi)的能量也越多，所以合適的電解時(shí)間非常重要。電極材料不同，發(fā)生反應(yīng)的可能性和速率也不同，穩(wěn)定性高、耐腐蝕、導(dǎo)電性好、催化活性高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)都是一個(gè)合格電極應(yīng)該具備的。

隨著科技的進(jìn)步，電化學(xué)氧化法與其他氧化技術(shù)進(jìn)行耦合是大勢(shì)所趨，可以產(chǎn)生對(duì)降解反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提高有機(jī)物的降解率和有機(jī)物的降解程度，同時(shí)要對(duì)反應(yīng)機(jī)理、耦合參數(shù)及反應(yīng)器進(jìn)行研究。當(dāng)今，電化學(xué)氧化技術(shù)還需要優(yōu)化電極材料，電極損耗是制約電化學(xué)氧化技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用的重要因素之一。

4 結(jié)語

雖然我國(guó)的電化學(xué)法處理廢水相關(guān)研究起步較晚，與其他技術(shù)聯(lián)用的研究也是在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上開展的，但是隨著國(guó)力的提高以及國(guó)家對(duì)科技的重視和對(duì)環(huán)境的保護(hù)，電化學(xué)氧化技術(shù)可以與光、磁以及聲技術(shù)融合，不斷創(chuàng)新，產(chǎn)生協(xié)同作用，降低治理成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和創(chuàng)新性，為工業(yè)化應(yīng)用以及建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)添磚加瓦。

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