電催化電極材料在有機廢水處理中的應用

喬勁松

（吉林建筑科技學院能源與環境工程學院，吉林 長春 130000）

近些年，電催化氧化法已被廣泛用于有機污水的處理。電催化氧化法對有機廢水進行處理時，主要是利用陽極高電位及催化活性，來對水中的有機物進行直接降解，或者是利用產生的羥基自由基等強氧化劑對水中的有機物進行降解。對廢水進行處理的效果，在很大程度上取決于電極的選擇是否合理，在電化學處理廢水中，電極材料主要包括了金屬電極、活性炭纖維電極、金屬氧化物電極等。

有機廢水是指含有有機物質且不能直接排放的污水。它廣泛存在于各種工業生產過程中，如化工、制藥、紡織、造紙、食品等。有機廢水的排放會對環境和人類健康造成很大的威脅，因此有必要對其進行有效的處理。有機廢水的處理對于環保事業具有重要意義，同時也是工業生產中不可或缺的環節[1]。

1 電催化處理廢水應用現狀

1.1 造紙工業廢水處理

本項目擬采用一層陽離子膜法從造紙黑液中提取堿，1t 堿電耗約3000kW-h，在末端pH9 的條件下，Na+的回收率達到50%，且陽極液中Na+含量在5000-7000mgL 之間，可直接循環使用。戴維等人建議將電催化法與傳統的堿水循環體系聯用，以從稀黑液中制取堿水及木素。在杭州水廠，采用聚乙烯異相陰陽離子膜對造紙黑液進行了處理，并對其進行了堿洗，在滲透室內NaOH 含量為8.87g/L 時，堿洗回收率達到了95%。

1.2 對含酸污水的治理

上海光明電鍍車間在進行金屬表面處理時，會排放出許多pH 值2-5 的酸性污水，日排放量約600m3。在原有的中和處理工藝中，堿度較高的情況下，改為電催化法，水的回收率可達90%，基本上實現了循化利用，污水的處理費用為0.3kWw-h/m3。

1.3 電化學污水治理

電鍍廢水中含有大量的鋅、鎘、鎳、銅，以及有毒的氰化物，不僅浪費了大量的資源，而且對環境也產生了嚴重的污染。采用電滲析法、離子交換法和電滲析法相結合的方法，不僅可以回收廢渣，而且還可以降低廢渣的污染。

1.4 制藥工業廢液的治理

制藥企業生產過程中產生的廢水不僅含有多種有機污染物，而且還含有多種有價值的物質。目前，我國對該類廢水多采用離子交換樹脂進行脫酸，但在脫酸過程中難免會附著一些氨基酸，當樹脂再生時，這些氨基酸又以廢液形式排出，造成了資源的極大浪費。利用電滲析法對制藥企業生產的酸性氨基酸廢水進行處理，廢水中的氨基酸、COD 去除率都達到了80%以上，對低濃、淺淡的廢水進行了一級處理后，就可以達到排放要求，并且在濃水中的氨基酸含量比新鮮水高出20 多倍，在此基礎上，濃水中的氨基酸含量可以達到其飽和水平[2]。

1.5 對含硝基苯的廢水進行治理

硝基苯是一種高毒性污染物，在國家環保部門已列入52 項重點治理對象。由于其具有致癌、突變和生育等多種毒性，以及難以被生物降解等特點，已被世界各國列為優先治理的環境污染物。

1.6 治理酚類廢液

苯酚是一種重要的化工原料，在工業生產中得到了廣泛的應用。酚類物質具有較高的毒性，并具有致癌、致畸、致突變等潛在毒性，一旦被其污染，必然會對生物的生長、繁殖造成嚴重的危害，對人體的食物、飲水等造成嚴重的影響，從而對人體的健康造成嚴重的威脅。婁紅波等人采用廢棄1 號鋰電池中的碳棒作為電極，以燒杯為電解池，采用不同的支撐電解質（Na2SO4）濃度，外加電壓，pH 值，以及苯酚的初始濃度，在常溫下，采用HPLC 法對其進行了初步的實驗，并對實驗結果進行了對比分析，得出：在不同支撐電解質濃度，5.5V 的負載電壓，8.0 的pH 值下，最適宜的處理條件為：支撐電解質濃度，鈉離子濃度為20.0g/L，負載電壓為5.5V，pH 為8.0。最后，初步討論了苯酚的降解機制[3]。

2 電催化電極材料的種類與特點

2.1 金屬氧化物類電極材料

金屬氧化物類電極材料是電催化技術中常用的一種類型，它主要由氧化鐵、氧化鋁、氧化鈦等材料構成。這些金屬氧化物材料具有化學惰性，優異的導電性和穩定性，能夠有效地催化有機廢水中的有機物質。

其中，氧化鐵類電極材料是應用最為廣泛的，其優點在于比較容易制備、成本低廉且表面易于改性。氧化鋁類電極材料比氧化鐵類電極材料具有更高的穩定性和耐酸堿性，其表面特性對于控制反應速率也顯得更為重要。而氧化鈦類電極材料則因為其高的電子傳遞速率和催化活性，被廣泛用于UV-Vis/TiO2/氧化劑的一體化廢水處理系統中。

2.2 碳基材料類電極材料

碳基材料是電催化電極材料中常用的一類材料，其特點主要包括以下幾個方面。

1.良好的導電性能。碳基材料由于具有良好的導電性能，能夠提高催化活性，從而提高廢水處理效率。

2.特殊的化學性質。碳基材料通常具有一定的親水性和親油性，從而能夠吸附和催化分解廢水中的污染物質。

3.特殊的表面性質。碳基材料的表面具有很大的比表面積和豐富的孔道結構，能夠提供更多的活性位點，有利于分解廢水中的有機物質。

4.可以被再利用。與金屬和半導體電極材料相比，碳基材料相對便宜，易于制備和加工，且可以再利用，降低了處理成本。

針對碳基材料的優點，在電催化廢水處理中大量得到了應用，其種類包括碳纖維、碳納米管、石墨烯、活性炭等。這些碳基材料在電極表面形成電化學活性位點，通過電化學反應去除有機廢水中的COD、BOD 等有害物質。

3 電催化電極材料在有機廢水處理中的應用

3.1 電催化電極材料的制備

電催化電極材料是一種通過電化學反應實現有機廢水處理的重要材料，其制備過程具有重要的影響因素。本文從制備方法、材料選擇等角度探討了電催化電極材料的制備。

首先，電催化電極材料的制備方法主要包括物理方法、化學方法和生物方法等。其中，物理方法包括濺射法、沉積法、離子注入等，化學方法包括溶膠-凝膠法、化學氣相沉積法等，生物方法則是利用微生物和植物等生物體產生的材料，如石墨烯等。

其次，電催化電極材料的選擇應考慮其材料性質和反應機理。例如，選擇活性位點多、表面積大的材料能顯著提高反應速率和反應效果，而選擇穩定性好、電導率高的材料能保證電化學反應的穩定性。

最后，電催化電極材料的制備過程中需注意條件控制和雜質消除等問題，以保證材料的純度和活性。因此，從制備方法、材料選擇和制備過程等方面對電催化電極材料進行優化和改進，對有機廢水的處理具有重要的意義[4]。

3.2 電催化電極材料的性能

電催化電極材料在有機廢水處理中的應用主要依賴于其優異的性能。首先，電催化電極材料具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性中心，從而增強廢水中有機物的降解效果。其次，電催化電極材料的表面具有較高的電化學活性，能夠促進反應速率，加速有機污染物的降解過程。

3.3 電催化電極材料在有機廢水處理中的應用研究進展

電催化電極材料是一種新型高效的處理技術。目前，研究人員已經開發出各類電催化電極材料，并取得了一定的研究進展。其中，以納米材料為代表的電催化電極材料在有機廢水處理中的應用最受關注。

研究表明，納米材料具有非常優異的電催化反應性能。通過控制納米材料的尺寸和形態，可以有效提高電催化反應的效率。另外，多種納米材料的復合也可以進一步提高電催化反應的效率和穩定性。

在實際應用中，電催化電極材料的選擇應該根據具體情況進行綜合考慮。比如，在處理高濃度有機廢水時，可以選擇具有高比表面積的納米材料，以提高處理效率。而在處理低濃度有機廢水時，可以選擇具有高穩定性和抗污染性的材料，確保長期穩定的處理效果。

4 電催化技術在有機廢水處理中的應用前景

4.1 電催化電極材料的優化

本文中提到，電催化電極材料是整個電催化技術的核心部分，其性能直接影響電催化反應的效率和穩定性。因此，對于電催化技術的未來發展來說，電極材料的優化是一個非常重要的方向。

目前已經有很多研究致力于電極材料的開發和性能改進。

一方面，通過調配和改變電極材料的化學成分和結構，可以使其更適合特定的有機廢水處理場景，同時提高電催化反應的效率和穩定性。

另一方面，新型的納米材料、復合材料和多功能材料的研發也為電極材料的性能提升提供了新的思路和空間。

未來，我們可以預見到，更多的優秀電極材料將被引入有機廢水處理領域，并且它們的性能將不斷得到提升和改進。同時，隨著電催化技術的深入發展，應用場景將變得更加廣泛，有機廢水處理效率將得到更大的提高。

4.2 電催化技術與其他處理技術的集成研究

將電催化技術與其他處理技術集成研究是未來電催化技術在有機廢水處理中的重要發展方向。傳統的有機廢水處理方法往往存在處理效率低、能耗高等問題，而集成電催化技術可以彌補這些缺陷。例如電化學氧化和生物處理是常見的有機廢水處理方法，將它們與電催化技術相結合可以在提高處理效率的同時節省大量能源。此外，電催化技術集成其他處理技術還可以解決不同類型有機廢水處理中的應用難題。比如，集成電催化技術和膜技術可以在高鹽度有機廢水的處理中提供優異的效果[5]。

4.3 電催化技術在有機廢水處理中的應用前景和挑戰

在未來，電催化技術將會越來越廣泛地應用于有機廢水處理中。相比傳統的處理方法，電催化技術具有更高的效率和更低的成本，尤其在微污染物的去除方面表現更加突出。此外，電催化技術還具有良好的適應性，可以應用于不同種類、不同濃度和不同pH 的有機廢水處理。

然而，電催化技術在應用中也存在一些挑戰。首先，電催化電極材料的研究仍需進一步深入。其次，電催化技術應用于實際生產中，需要考慮設備的可靠性和穩定性。此外，電催化技術的應用仍需要與其他處理技術進行集成，以提高處理效率和降低成本。

未來，我們可以通過以下途徑來進一步推廣電催化技術在有機廢水處理中的應用。首先，開展更深入的研究，以提高電催化電極材料的性能；其次，加強電催化技術與其他處理技術的集成研究，以進一步提高處理效率和降低成本；最后，將電催化技術應用于實際生產中，并積極開展技術推廣和應用示范。

5 結語

電催化高級氧化是一種新型的水處理技術，其氧化能力強，無選擇性，反應徹底，不產生二次污染，可連續運行，節省空間，在處理高濃度難降解有機廢水方面有著重要的應用前景。因此，針對紙漿廢水組分復雜、污染物濃度高且難以處理的問題，提出了一種新型的電催化高級氧化技術。然而，該技術的產業化應用仍面臨著許多問題，例如，所需的設備條件、催化劑的循環利用等。所以，在我國，積極地進行高級氧化技術的研究與應用，這不僅對解決我國高濃度難降解有機廢水生化處理效果差和出水水質不達標等問題有著重要的現實意義，還對發展我國環保行業的高新技術有著更為深刻的意義。