電化學反應器的生物膜電極材料性能概述研究

白紀睿

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、煉油廢水等領域的應用研究進展，使人們對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上應用，還存在許多待解決的問題。因此開展電催化氧化法處理難生物降解有機廢水的研究開發工作很有必要。本論文是電催化氧化在工業化過程中的基礎研究和應用研究。從電催化氧化法處理有機廢水的實際問題出發，開展有機污染物的電催化氧化降解機理及其歷程、電極材料研制、電催化氧化工藝的基礎和應用研究具有重要的科學意義和應用前景。

關鍵詞：電催化氧化法；生物膜電極材料性能；工業廢水的處理

1 引言

工業廢水由于生產過程、原料和產品的不同，而具有不同的性質和成分，一種廢水往往含有多種成分。根據廢水的污染程度，工業廢水可分為凈廢水和濁廢水（或生產污水）兩類。凈廢水來自各種工業設備間接冷卻用水，僅水溫升高，污染輕微，可經某些簡單處理后循環使用或排入水體；濁廢水主要來自生產過程中與物料直接接觸所排出的廢水，污染程度較重，必須經過嚴格處理才能循環使用或排入水體。根據濁廢水中所含成分，工業廢水也可分為無機廢水、有機廢水、混合廢水、放射性廢水等。由此可見，工業有機廢水不僅使水體BOD和COD值增大，其毒性還對人體、水體、魚體以及農作物產生嚴重危害。隨著我國工業的快速發展，工業有機廢水的排放量和種類日益增加。它的大量排放給環境帶來了嚴重污染，有害于人類健康及生物的生長繁殖，影響經濟的可持續發展。對于用于有機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理卻鮮有報導，了解生物膜電極制備條件對電極表面形態及工作性能的影響，是生物膜電極材料應用的關鍵問題之一。

2 國內外研究現狀

早在20世紀40年代國外就有人提出利用電化學法處理廢水，但由于電力缺乏，成本較高，發展緩慢。60年代開始，隨著電力工業的發展，電化學法才被真正地用于廢水處理過程。

根據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、電極結構和電極的應用性能等方面進行電極材料的研究和開發工作，主要包含電極材料的開發、電極結構的研究、電極應用性能的研究。Iniesta，Michuad等人用BDD電極在酸性介質中進行了酚的電化學氧化研究。梁鎮海等人研制了Ti/SnO2+Sb2O3+MnO2/PbO2陽極用于氧化處理焦化含酚廢水。Polcaro等進行了電化學降解廢水中的2-氯酚進行Ti/SnO2和Ti/PbO2性能的研究。M.Fleiscmhamm，F.Goodrdige及其合作者研制成功了復極式固定床電極（Bipolar Packed Bed Electrode簡稱BPBE），槽內電極材料在高梯度電場作用下復極化，形成復極粒子，分別在小顆粒兩端發生氧化一還原反應，每一個顆粒都相當于一個微電解池。由于每個微電解池的陰極和陽極距離很小，遷移容易實現。由于整個電解槽相當于無數個微電解池串聯組成，故效率成倍提高。

3 研究熱點

3.1 電催化氧化技術處理化工廢水的研究

使用二維或三維電極反應器對某煉油廠的反滲透濃縮水和某氯醇法生產環氧丙烷過程中產生的皂化廢水進行處理。研究反應器型式、電流密度、通電時間、電解液流速、電極材料和相對面積等多種因素對廢水處理效果的影響。

3.2 有機污染物的電催化氧化降解動力學的研究

研究有機物草酸在采用活性 Ti/Ir02一TaZO：電極為陽極的圓柱形電化學反應器中的整個降解過程。由于有機污染物的電催化降解包含兩條都屬于“直接電氧化”的反應路徑，建立了能描述整個降解過程的瞬時電流效率與溶液本體有機物濃度的關系式。

3.3 電化學反應器的流動特性和傳質性能研究

使用常見的脈沖響應技術測定了實驗室規模的濾壓式電化學反應器的停留時間分布，并結合數值模擬手段（fluent軟件）加以驗證傳質強化的原因。

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程中影響膜生長速度的因素，分別討論基體材料、吸附方式、細菌含量、環境溫度、苯酚濃度和電流強度對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生物膜電極降解苯酚性能的影響。

4 結論

電化學法兼具有高效和環保的特點，在無害化處理水中有機污染物方面具有一定的優勢。電極材料作為電化學技術應用的核心，其開發和性能的充分發揮是解決陽極氧化和生物膜陰極水處理技術的關鍵。因此，本論文以處理水中有機污染物為目的，對電化學氧化技術和生物膜電極技術的高效應用問題開展一系列基礎研究。生物膜電極材料是采用固定化技術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合了電化學和微生物雙重作用，使生物膜電極材料在水中污染物治理、儲能設備開發及生物傳感領域都具有重要的應用前景。

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