氧化水處理與電化學催化技術

丁正丹

摘 要：隨著經濟和各行各業的快速發展，人們生活水平得到了提高，生產生活中的各種廢棄物大量進入水中，造成我國水資源的嚴重污染。隨著研究的不斷深入，高級氧化技術應運而生并有了顯著進展。通過電化學反應將氧氣還原為過氧化氫，產生氧化能力極強的羥基自由基，使有機廢水中的污染物降解并完全礦化。電催化臭氧技術是一種經濟、高效而且對環境友好的水處理技術。

關鍵詞：電催化；臭氧水處理；催化技術

引言

臭氧具有較強的氧化性，能夠廣泛應用在污水處理中。電化學催化臭氧系統中，使用臭氧發生器將氧氣轉化為臭氧，并將所得臭氧和氧氣的混合氣體通過電化學廢水處理反應器中，優化反應裝置的設計、研制出高效穩定的催化劑及催化劑的固定回收技術、提高處理效率、降低系統運行成本，發展幾種高級氧化技術與其他工藝聯合使用的組合技術，使其互補不足，盡快實現工業化應用，是高級氧化技術在廢水處理領域的發展趨勢。

1、電化學水處理技術

早在19世紀70年代，隨著電力行業蓬勃發展，電化學水處理技術也備受關注。電化學水處理技術因可產生強氧化性的自由基將有機物完全礦化、在不需要其它化學試劑條件下，這種操作裝置簡單并且反應條件溫和，在控制水體中難降解有機污染物技術中是一種具有很大發展空間的水處理技術。在電流作用下，電化學水處理技術在電極表面發生氧化還原反應，通過直接或者間接方式去除有機污染物質，最終達到污水的無害化處理。電化學水處理技術對污水處理方式主要有電化學間接氧化方法和電化學直接氧化方法。電化學直接氧化方法利用陽極區的較高電勢將該區域的有機物氧化，對水體中的有機污染物進行降解。基于電極具有不同材料，在酸性環境中，有兩種活化溶液方法，一是在熱力學穩定電勢下對游離水分子吸附活化。二是在高于溶液熱力學穩定電勢下的電活化。電化學間接氧化是溶液中的有機污染物與在電極表面通過電化學反應產生的較強氧化性的羥基自由基發生反應，從而有效去除溶液中的污染物。在此反應中，通過電化學反應，產生大量的強氧化性基團，從而將難降解有機污染物礦化為水和二氧化碳。電化學水處理技術相比于傳統高級氧化技術具有更強的氧化能力。

2、高級氧化聯用水處理技術

2.1、電化學氧化法

電化學氧化法主要是在外加電場作用下，通過電極電位作用產生大量的超氧自由基（O2·）、雙氧水（H2O2）、羥基自由基（OH·）等活性基團來氧化降解廢水中的有機物。電化學氧化法具有操作簡單易控制、處理效率高、污染少等優點，越來越受到廣大環保工作者的關注。但該方法也存在一些缺點，首先是電化學氧化法對污染物的去除機理和反應途徑尚不明確，因此要加強電化學氧化機理的認識和創新，探索電化學過程，并加強電化學與物理、生物、化學等領域的結合；其次是電化學氧化法設備成本高、能耗大，所以研發新型電極材料、新型電化學反應裝置已經成為該技術研究的熱點。

2.2、超聲氧化法

超聲氧化法是利用頻率范圍為15kHz～1MHz的超聲波輻射溶液，形成空化泡，進入空化泡中的水蒸氣在局部高溫高壓作用下，生成局部高濃度OH·、HOO·等自由基和H2O2等物質，并可形成超臨界水，從而快速氧化去除廢水中的有機污染物[4]。超聲氧化法降解效率高、對設備要求低、操作簡單，無二次污染，越來越受到人們的關注，是一種很有發展潛力和應用前景的新型水污染控制技術。目前，超聲氧化法研究的對象多為實驗室單一體系或者是小水量廢水的處理，而實際的印染污水中常含有很多種有機污染物，這些有機污染物多為親水性或難揮發物質，因此，研發超聲氧化法與其它高級氧化技術聯用，提高超聲氧化法在實際印染廢水處理中的實用性，是其今后主要的發展方向。

2.3、光化學技術

光化學氧化水處理技術是近年來新興的水處理技術，通過光解方法和光催化方法實現對有機污染物的降解。光解是通過波長小于190nm的紫外光照射待處理污染物，從而產生有強還原性的離子和強氧化性離子。光催化氧化技術是一種節能高效甚至可以完全礦化有機物等優點。基于量子利用率低、設備投資高、能耗大，并且催化劑需要重新回收再生這些缺點，在實際廢水處理中，光化學氧化技術很難被應用。

2.4、臭氧氧化法臭氧（O3）氧化能力極強，其氧化還原電位為2.07V，因此在污水處理中有著廣泛的應用。臭氧氧化技術作為一種高級氧化技術，因其使用方便、降解速度快、易控制管理、不產生二次污染等優點，在染料廢水的除色和難降解有機物的去除等領域得到快速發展。臭氧與印染廢水中的污染物有兩種反應途徑：一是直接反應，即臭氧通過親核或親電作用直接同有機物反應；二是間接反應，即臭氧在堿等作用下，分解產生OH·與有機物發生反應，生成小分子酸、醛、CO2等，從而達到徹底礦化有機物，提高廢水可生化性的目的。臭氧氧化技術在處理污水過程中不會產生污泥和二次污染，且臭氧發生裝置簡單緊湊、占地面積少，條件溫和，容易實現自動化控制和管理，但同時也存在著一些缺點：臭氧在水中的溶解度小，利用率低，處理效果不穩定，需要過量才能取得較好的效果；臭氧發生裝置效率低，能耗大，運行成本高，對設備要求高。這些缺點阻礙了臭氧氧化技術在污水處理領域的推廣使用，因此開發新型高效低能耗的臭氧發生裝置、提高臭氧利用效率、降低處理成本、發展與臭氧聯合使用的其他工藝是臭氧在染料廢水處理中推廣使用的前提條件，也是臭氧氧化技術當前要解決的關鍵問題之一。

結語

高級氧化技術作為一項快速發展的污水處理技術，以其高效、氧化降解徹底、適用范圍廣以及環保等優點越來越得到研究者的重視，有著廣闊的發展前景。如何實現在常溫常壓下快速而經濟地產生大量的羥基自由基，怎樣實現節能，發現更高效率更易回收的催化劑，研制高強度耐腐蝕的設備材料以及創造更高效率的反應器結構將是未來的研究重點。

參考文獻

[1] 謝衛東.高級氧化技術機理及在污水處理中的應用分析[J].高新技術，2014（6）：23-24.

[2] 方景禮.廢水處理的實用高級氧化技術[J].電鍍與涂飾，2014，33（8）：350-355.