电化学的绿色作用，本文主要内容关键词为：电化学论文,作用论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
当前，全球环境问题日益严峻，珍惜资源与爱护环境蔚然成风，绿色化学已经成为国际化学研究的前沿。电化学由于在理论、技术和装置上的特点，使得它在清除环境污染方面更具有重要性。Bockris在1972年首先提出了电化学方法在清洁环境方面的一些特殊优势：清洁的能源分布和运输、清洁处理和转化工业及其他废物而不产生温室效应等，并在Surface electrochemistry一书中指出，虽然电化学方法需要耗电，但用于治理环境的费用要远远高于电费。
电化学过程有以下特点：①可自动控制：电化学过程中的两大参数电流与电压信号，易测定和自动控制。②反应条件温和，能量效率高：电化学反应可以在较低的温度下进行。由于不经过卡诺循环限制，能量利用率高。③环境相容性高：电化学过程中使用的主要试剂为电子，是最洁净的试剂。电化学燃烧（例如，煤的电化学燃烧）发生在溶液中，不会产生CO[,2]引起温室效应。再者，较高的选择性可防止副反应发生，减少污染物。④经济合算：所需设备简单，操作费用较低。设计合理的电解池结构，利用先进电极材料，可达到零排放要求。
1 电化学工业的改进
在电化学工业的改进方面，电渗析技术发挥了重要作用。电渗析是膜分离技术之一，以电位差为动力，通过选择性交换膜把物质从溶液中分离出来，从而实现溶液浓缩、淡化、精制或纯化的目的。此技术具有能耗低、药剂少、适应性强、操作简便、可实现自动化控制等特点。再值得一提的是，利用电化学方法产生自由基和强氧化性物质。已有报道用电化学法可生成自由基（e[－]、O[,2][－]、HO[,2][－]、·OH），电化学可使O[,2]还原为H[,2]O[,2]，然后与Fe[3＋]还原产物Fe[2＋]反应生成·OH。这些·OH可处理苯酚、苯的衍生物、HCHO及CN[－]。另外，有些物质在电极上直接进行电化学反应速率较慢或电极产物选择性不佳，电流效率不高时，可选用具有氧化或还原性的电子载体使有机物进行氧化或还原，电子载体本身相应地变为还原性或氧化性物质，通过电解，它们分别在阳极再生，在电化学反应中循环使用，而有机物不断变成产物，这种电子载体称媒质。这种方法称为媒质电解。
1.1 氯碱工业
氯碱工业有两大产品Cl[,2]和NaOH，其中Cl[,2]大部分用于纸浆漂白。然而，已发现氯漂白中会产生CHCl[,3]等40多种有机氯化物，其中以氯代酚最多，如二氯酚、三氯酚，还产生恶英和呋喃产物，有10种是剧毒的。因此，为消除氯气，用可溶性金属（如Zn）做阳极电解饱和食盐水或者用放氧代替放氯。如利用Na[,2]SO[,4]代替NaCl进行电渗析，用阴、阳离子选择膜组成三室电渗池，可获得NaOH（10％）和H[,2]SO[,4]，利用气体扩散和双极离子膜可降低能耗。Foller提出了生产NaOH和H[,2]O[,2]混合物的方法，产品可直接用于漂白工艺和印染废水脱色，还可用于合成洗涤剂、重金属、磷酸盐与氟化物的废水处理。用电渗析法可同时生产NaOH和HCl，产物纯度达99.5％，还发展了电渗NaNO[,3]制NaOH和HNO[,3]的方法。
1.2 电镀与表面精饰
采用不锈钢或石墨电极，将电镀与表面精饰工业的CN[－]转化为CNO[－]，然后将CNO[－]在碱性溶液中反应生成N[,2]、NH[,3]等物质。为进一步降低废水中的CN[－]，可加入NaCl进行电解，通过CIO[－]使之进一步氧化。
1.3 有机电合成工艺
有机电合成在绿色化学中产生巨大的影响，其方法如下：①以媒质电解进行有机合成，媒质在电解池内再生，与化学计量氧化还原法比，原子利用率高，减少过程中产生的废物。②SPE法进行有机合成， 产物易分离，纯化简单，污染少。③电化学氟化只用HF不用单质氟，工艺较洁净，费用低。④用电化学还原法生产芳胺减少了有毒废渣、废水，提高了原子利用率。
2 电化学能源
从所周知，石油和煤用于发电和交通运输，造成了严重的环境问题，直接影响人类健康，产生温室效应，而且酸雨会使农作物减产和土地荒漠化。而电化学方法是提供清洁能源的新途径。
2.1 车载电源
用电池可提供无污染低噪音的动力，构建零排放绿色汽车，消除因使用汽油而造成的空气污染。
传统的铅酸蓄电池比能量低、充电速度慢、寿命不长。新型电池在比能量和寿命上均优于铅酸蓄电池，例如，镍氢电池比能量高，充电快，是目前开发的主攻方向之一；Na／S电池比能量高，原料便宜，寿命长；Na／NiCl比钠硫电池更安全，耐恶劣条件，不泄漏，有取代钠硫电池的趋势，德国已有一条生产160万个该电池的生产线；Zn ／空气电池比能量高，美国电力燃料公司正在开发。
虽然新型电池在比能量和寿命上均优于铅酸蓄电池，但价格为后者的3倍～5倍。因此，人们又把目光盯在铅酸蓄电池的改进方面。从1985年起，美国Electrosource电池公司开发成功铅布铅酸电池，比能量达45至50Wh／kg，比功率240W／kg，循环寿命为800次，充电时间小于5h，性能接近镍镉、镍氢电池，价格低廉，因而在电动汽车上应用潜力很大。
2.2 燃料电池
燃料电池具有能量转换效率高，污染小，可靠性强，比能量大等优点。依电解质不同可分为5类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸盐燃料电池（PAFC）、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC）。主要应用于航空航天发电、车辆和军舰。AFC用贵金属为阳极，工作温度低，用于空间开发与潜艇， 但价格高。具有最高商业化程度的是PAFC，日本已进行11MW发电装置试验，由于天然气可蒸汽转化为H[,2]和CO，CO又可变换为H[,2]，此电池总发电效率达40％，美国已用于车辆。MCFC超电势低，不用贵金属，耐热温度高，可用于燃料重整，总效率为60％，美国已建立2MW 的发电装置。PEMFC的特点是工作电流大（1至4A／cm[2]）、比功率高（0.1至0.2kW／kg）、比能量大，能量转换效率高达40％～50％（而汽车为14％～18％），几秒钟内可冷启动，正常工作温度60℃～100℃，室温下具有80％的额定功率，由于有这些特点，它特别适合做电动汽车动力源。1993年加拿大Ballard公司开发第一台PEMEC驱动的公共汽车，功率120kw，示范运行里程2000km，现在正开发用于公共汽车的250kw的燃料电池。该公司研制出价格低但性能与全氟磺酸膜相当的膜，并使电极中贵金属Pt催化剂的用量下降到0.05mg／cm[2]，这预示着PEMFC动力车在不久的将来很快进入商业化实用阶段。SOFC在1000℃下工作，以ZrO[,2]为电解质，可用H[,2]、CO、CH[,4]、CH[,3]OH为燃料，电极极化低， 热电联产效率高达80％。
燃料电池不仅用于航空航天发电、车辆和军舰，也可用于烧碱的浓缩、气相中硫的回收、H[,2]O[,2]、乙醛、酮、酚的合成，与污水处理装置结合，实现功能共生。
3 水的电化学消毒
目前，广泛用Cl[,2]对水进行消毒。但近年来发现，水中加氯会产生有害的致癌物，用气相色谱－质谱－计算机系统（GC／MC／DS）发现和鉴定出加氯的水中有上千个有机物，其中，六氯苯、多氯联苯、三氯甲烷、1，2氯－乙烯、四氯化碳等有致癌性。显然，采用H[,2]O[,2]消毒较好，它可在温和条件下用电解过硫酸铵和氧阴极直接还原法生产。另外，电化学生成O[,3]用于水消毒是十分安全的方法， 它已广泛用于水处理与纯净水工业。电解法生产O[,3]浓度高，能耗低， 是很有发展前途的方法。现已提出用HBF[,4]为电解质制备O[,3]和用质子交换膜同时合成O[,3]与H[,2]O[,2]的方法。 电解法的特点是能获得所需任何浓度的臭氧，而且由于设备费及运行费较低而节省投资。
4 在金属腐蚀与防护方面
近年来正在开发钼酸盐或钨酸盐等无毒缓蚀剂，以逐步取代亚硝酸盐、铬酸盐等有毒缓蚀剂。有机膦酸是目前最有效的阻垢缓蚀剂之一。适用于做循环冷却水缓蚀用的主要是羟基乙叉二膦酸（HEDP）、氨基三甲叉磷酸（ATMP）、乙二胺四甲叉磷酸（EDTMP）和2－膦酸基丁烷－1，2，4－三羧酸（PBTC）等。有机磷酸是一类具有一定表面活性的多齿配体，易与金属离子配位而形成多核配合物。最近报道了日本等发达国家开发出一种广泛存在于油料和谷类种子中的多齿金属螯合剂——植酸，亦称肌醇六磷酸脂，分子式为C[,6]H[,18]O[,24]P[,6]，因其特有的功能及天然无毒特性，国外发达国家为解决金属表面处理行业的环境污染问题，以植酸或其盐类完全取代氰化物及铬酸盐等有毒物质，并且发现植酸及其盐是比苯并噻唑及其衍生物更有效的铜腐蚀阻止剂。植酸在金属腐蚀与防护中有极高的推广应用价值。
利用电化学技术可以有效处理有害的废气与废渣，修复被污染土壤，从废物中回收有用的原料；还可提供更为清洁、更高能量转换的能源以及水的电化学消毒等。随着新材料的不断涌现，电化学工业的变革将展示其清洁工艺的美好前景，为全人类的进步和社会的可持续发展营造一个美好的生态氛围。