摘要：电化学技术具有处理效果好、操作简单、无二次污染等优点。电极材料和电化学反应器的改进对提高电化学处理废水的效果有重要现实意义：BDD电极耐腐蚀性强，窗口电势高，稳定性强；DSA电极可根据电极反应，设计合适的电极材料；未来，新型电极材料、高效反应器的研发，和其他技术联用，可推进电化学技术的实用性和经济性。
关键词：溶解性有机物、重金属离子、电化学技术
1、引言
溶解性有机物（DOM）作为水体富营养化的指标和碳循环的组成部分，DOM对评价环境质量体系有重要现实意义。DOM会使污水带有臭味和一定色度，氯消毒后会产生有毒副产物；另外，DOM作为微量和痕量污染物的主要载体，能够携带污染物从土壤固体废物或污水中向地表水体或地下水体迁移[1]。
在水环境污染研究中重金属主要是指铅、铬、以及类金属等生物毒性显著的重金属[2]。大多数重金属污染不能被降解，依靠食物链在生物体内逐级传递，达到一定量后，会引起生物体畸形、变异等。此外，重金属离子具有较强的稳定性，难以和其它物质发生反应沉降出来。电化学法具有设备简单、处理效果好、无须另添加氧化还原剂而避免二次污染等优点。
2、电化学处理技术
电化学方法是指利用电能发生化学反应从而去除污水中有害物质的处理方法。电化学法处理污水的反应机理为：阴阳两极在水溶液中形成无数个微小的原电池，在其周围形成一个电场，并产生电位差，在电场的作用下，阳极产生的电子形成“微絮凝体”，水中悬浮颗粒、有机物在“微絮凝剂”的作用下失去稳定性，与“微絮凝体”相互碰撞，使污染物转化为沉淀或气体去除。阴极反应产生的新生态[H]能够彻底破坏有色分子的发色基团，从而达到使废水脱色的目的；当阴极产生的氢气气泡上升时，可以将水体中的悬浮物带到水面，形成浮渣后分离去除。
2.1电化学氧化技术
电化学氧化的本质是：电解质溶液在通电的条件下，在阳极和电解质溶液界面上，反应物粒子失去电子发生氧化反应，在阴极和电解质溶液界面上，反应物粒子得电子发生还原反应。有机物可通过产生的羟基自由基、臭氧、过氧化氢等强氧化剂去除。
根据氧化机理的不同，电化学氧化可分为直接氧化和间接氧化。电化学的直接氧化（电化学燃烧）是废水中H2O或OH-在阳极表面放电，产生吸附态•OH，•OH攻击阳极周围的有机物的亲电基团，与有机物完全氧化，可使有机物降解直至完全矿化。电化学间接氧化（电化学转化）主要发生在溶液中，间接氧化使•OH中的氧原子转移到金属氧化物的晶格形成高价态金属氧化物，可以对废水中的有机物发生选择性氧化反应，使污水中溶解性有机物氧化成CO2和H2O，同时伴随析氧副反应的发生[3，4]。
2.2电化学还原技术
电化学还原法的反应机理为：阳极采用惰性电极，对废水进行电解，重金属离子在静电引力作用下，向阴极迁移，从而在阴极表面发生沉积[5]。利用电还原法处理污水中重金属离子，重金属离子在阴极沉积，有利于从废水中回收重金属。
2.3电絮凝处理技术
电絮凝处理技术采用牺牲电极，通过电解作用产生氢氧化物絮体凝聚水中的胶体物质形成絮凝沉淀，再进行沉淀分离，从而净化水质的方法[6]。
电絮凝法综合了电化学氧化和化学絮凝的优点，通过压缩双电层，吸附架桥，集卷网捕等将污染物吸附、聚集在电极表面[7]。另外，电絮凝法可通过阴阳两极提升或降低废水的PH值，从而中和废水的酸碱度。研究表明，利用高压脉冲电凝聚代替直流电凝聚可有效降低浓差极化，改善电极钝化问题[5]。
3、电极材料
电化学反应主要是在电极与溶液之间的界面层内进行的，电极材料的催化活性和稳定性是决定电化学氧化能力和效率的关键[8]。电极的要求是导电性好、耐腐蚀性强、电流效率高且具有良好的机械物理性能[6]。
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3.1BDD电极
BDD电极即掺硼金刚石电极，硼作为一种受主型掺杂物，其含量直接影响到了金刚石薄膜的导电性。BDD电极具有半导体性质，具有良好的化学稳定性，耐腐蚀性强。但BDD电极的成本较高，不适合大规模推广，BDD电极通常采用化学气象沉积法制备得到，受沉积方法限制，大面积BDD电极难以合成。
3.2DSA电极
钛基氧化物涂层电极（DSA）作为一种阳极材料，其结构是以耐腐蚀性能强的金属材料（如金、铂等）作基底，并在其表面涂覆一层具有电催化活性的金属氧化物组成。DSA电极对阳极析氯、阳极析氧、有机污染物电化学降解等具有优异的电催化活性，DSA电极的电催化活性主要取决于金属氧化物膜。
3.3其他电极材料
金属电极是以裸露金属为电极，其表面不存在氧化物膜，金属电极的导电性好，但是易被电解溶出，阳极易损耗，使溶液增加新的金属离子。碳素电极中性能较好的是石墨电极，石墨电极含杂质少，导电性能较优，最大特点是具有完全抗卤素腐蚀的特点[8]。非金属氧化物电极的硬度、熔点和耐磨性均较高，因而是很有潜力的电极材料。
4、电化学反应器
电化学反应器的电解池结构设计合理，对提高水处理效果有重要现实意义。传统电化学反应器为二维电极，但二维电极的面体比较小，单位槽体处理废水量少，电流效率低，尤其在电导率低时处理效果不好，难以实现对重金属废水的深度处理[5]。
在二维电极基础上发展起来的三维电极，即在二维电极之间装填一些填充物，并使其表面带电。三维电极的优点在于，面体比较高，粒子间距小，传质效果好。三维电极按填充方式分为流动式和固定式。流动式的典型代表是流化床。流化床的特点是填充的粒子材料处于流动状态。固定式的典型代表是填充床，填充床的特点是粒子材料在床体中不会发生位移，处于稳定状态[5]。
5、小结与展望
污水中溶解性有机物和重金属离子种类繁多，性质差异也很大，所以，电化学方法无法做到去除每一种污染物。电化学技术的电量消耗大，成本较高，所以应提高其实用性和经济性。新型电极材料的研制，有效提高污染物传质过程的反应器的发明，均能改善电化学技术对污水的处理效果。另外，电化学技术与其他技术联用，例如，电化学技术与太阳能技术联用，可有效解决电量消耗高的问题。另外，对某些污染物处理量小、污水净化程度要求高的单位，可考虑采用小型电化学处理设备。
参考文献
[1]文杨.冰封期城市河流DOM结构特性及分布特征[D].辽宁大学,2014.
[2]杨虹伟.含有重金属废水的微生物处理方法[J].科协论坛(下半月),2009,(06):126.
[3]徐进,刘豹,兰华春,刘锐平,赵元凤,曲久辉.有机工业废水的电化学处理工艺技术原理与应用[J].净水技术,2014,33(04):36-40.
[4]Comninellis C. Electrocatalysis in the electrochemical conversion/combustion of organic pollutants for waste water treatment[J].Electrochimica Acta,1994,39(11–12):1857-1862.
[5]罗志勇,张胜涛,郑泽根,邓银.电化学法处理重金属废水的研究进展[J].中国给水排水,2009,25(16):6-10.
[6]王琴,孙根行.电化学法处理废水研究进展[J].电镀与环保,2011,31(02):7-10.
[7]张石磊,江旭佳,洪国良,童美萍.电絮凝技术在水处理中的应用[J].工业水处理,2013,33(01):10-14+19.
[8]金丹萍.电化学氧化技术在污水回用中的应用研究[D].南京航空航天大学,2008.
论文作者:卢欢,刘家兴,王昊,姜登岭
论文发表刊物:《基层建设》2018年第29期
论文发表时间:2018/12/17
标签：电极论文; 电化学论文; 重金属论文; 有机物论文; 絮凝论文; 阳极论文; 废水论文; 《基层建设》2018年第29期论文;