電催化氧化技術在化工污染水體治理中的實踐

李志華，王琳，曲正寶，陳瑩潔

(濰坊市諸城生態環境監控中心，山東 濰坊 262200)

0 引言

現階段，我國工業生產領域發展迅速[1-2]，但社會在發展的進程中，必然會對自然生態環境造成不同程度的影響與威脅，特別在化工生產過程中，其廢水、污水量相對較大，在排放時難免對生態水體造成一定程度的污染，對整體生態環境的發展極為不利，而且與我國大力提倡的綠色、環保的發展理念也不能完全匹配。因此，將電催化氧化技術應用在化工生產污水治理當中，不但實現了化工污水的良性治理，而且維護了生態環境、生態水體不受影響，為化工企業實現優質發展奠定良好的口碑基礎。本文將從電催化氧化技術入手，結合電催化氧化設備使用現狀及該技術的應用予以闡述。

1 電催化氧化技術的定義

電催化氧化是指在特定電場的作用下生成不同類型的自由基，再通過自由基將污水內的有機物強效分解的過程，該自由基具有活性，同時也擁有極強的氧化能力。將電催化氧化技術應用到化工污染水體中，便是利用其自由基分解有機物的作用，進而實現化工污染水體治理的目的，其利用的原理是活性劑與廢水中的有機物發生氧化還原反應，將水中有機物氧化成為CO2、H2O 或小分子有機物。在電解過程中，基于其電極材料有所區別，從作用方式的差異性方面，可將其分為直接電化學氧化與間接電化學氧化兩種。

(1)直接電化學氧化是利用陽極與污染水體發生氧化反應，從而減少水體中污染物的含量，結合降解程度，可將其劃分為電化學燃燒與電化學轉化兩種不同類型，其中，電化學燃燒是將有機物轉化為CO2與H2O，而電化學轉化是對有毒物質進行轉化，使其成為無毒或低毒物質。

(2)間接電化學氧化是利用電化學反應生成的活性自由基，水體中的污染物與自由基發生反應后轉化為無毒物質。另外在電解時，如果有氯離子存在，會導致次氯酸鹽的生成，可加速氧化反應[3]。間接電化學氧化法不但具有中間氧化效果，同時也具有陽極直接氧化效果，能夠有效地提高氧化率。

2 電催化氧化技術的優勢

電催化氧化技術不僅能夠使電極和廢水成分之間進行電子轉移，還可以通過改變外加電流和電壓來調節反應條件，具有很好的可控性。在處理過程中，所生成的自由基會隨機與污水中的有機污染物發生反應，使之分解成二氧化碳、水和簡單有機物，并且不會造成二次污染，并且在污水排放量不大的情況下，可以做到現場處置。此外反應器的裝置和運行總體上相對簡單，只要設計得當，成本不高。當污水中含有大量金屬離子時，使用陰極還原金屬離子的同時，還可以使用陽極進行氧化，該過程在進行金屬回收與再利用的同時大幅提高處理效率。除此之外，電催化氧化不但能夠獨立進行，而且還可與其他方法組合使用，例如，將其作為預處理，可改善廢水的可生物降解性，具有氣浮、絮凝、消毒的功能。電催化氧化作為一種清洗技術，設備占用空間較少，尤其適用于人口稠密的城市生活，因此電催化氧化技術具有很大的發展前景，能夠在綠色環保領域中得到廣泛應用。

3 電催化氧化技術應用現狀

目前電催化氧化技術在氧化能力與還原能力方面具有極大提升，不但降低了成本，還增強了適應能力，因此該技術已經廣泛應用于醛、烴、酚等諸多類型污染物的治理工作當中。

(1)在處理化工污水中酚含量較大的廢水時，陽極使用碳孔材料，廢水從碳孔經過的過程中，不斷受電解反應作用，酚含量便會持續減少，在26～40 ℃的含酚類廢水中，COD 值為29 000 mg/L，在3.6～4.0 V電壓范圍內，COD 驟降到670 mg/L。而在采用石墨作陽極后，苯酚濃度含量由15～100 mg/L 降低至4.7～5.5 mg/L，如表1 所示。其中假設陽極的表面積為100 cm2，這是一個常見的電極大小，同時，選擇硫酸鈉作為電解質，對于石墨的處理溫度和電壓，選擇30 ℃和3.8 V，因為它們在處理酚類廢水的電催化氧化過程中是常見的參數。

表1 碳孔材料和石墨分別作為陽極在電催化氧化處理化工廢水中的效率比較

(2)若廢水中烴含量相對較高，可通過混凝法、電絮法對其進行分解，當前電絮法利用的電氣浮法對污染廢水的去油處理具有很好的效果，去油量能到達到95%左右。若廢水含油量小于150 mg/L，采用電絮法處理，可使廢水含油量下降到10 mg/L，再通過絮凝劑過濾，可使含油量下降到0.7 mg/L。但若碳氫化合物水溶性高，則不能得到很好的控制效果，例如，采用隔膜電解陽極處理含苯廢水時，其脫除率僅為12%。

4 電催化氧化污水設備

4.1 電催化氧化污水設備的構成

電催化氧化污水設備是由不同功能性的四個設備組合而成，包括預催化反應器、電源控制柜、催化氧化反應器、加藥裝置，同時還配備了水泵。該設備在工頻電流的作用下，經過整流轉換成為DC 直流電，再由脈沖回路轉換為可調節的高電壓矩形脈沖[4-5]。

4.2 電催化氧化污水設備的電化學反應作用

電化學反應過程中，廢水中的電解質會生成具有活性的氫與氧，其自身有非常強的氧化還原效果。當活性氫與污水中的染色物質相遇，會發生氧化還原反應，即為脫色反應。而活性氧能夠有效地將水中的有機物快速降解，轉換為二氧化碳與水，從而達到無毒效果。其次，在電流作用下，藥劑在水中充分溶解后，便會生成初生態的氫氧化物絮體，其具有較強的吸附功能，能夠將不溶于水的污染物吸附，實現污水凈化。最后，污水經過電壓與藥劑的作用后，水解生產羥基自由基，可在水中快速將有機物降解氧化，達到污水凈化的效果。該設備匯集了氧化、還原、混凝的功能，不但實現了功能多樣化，而且成本低廉、凈化效率高，在現階段頗受青睞。

4.3 電催化氧化污水設備應用領域及應用案例

電催化氧化污水設備基于自身優勢，現階段廣泛應用于諸多產業當中，例如化工醫藥企業、鋼鐵冶煉企業、石油煉制和加工企業以及工業園區污水處理、垃圾填埋場滲濾液處理等諸多行業的污水處理及其升級改造當中。

例如，山東省某機械加工廠通過運用電催化氧化設備對周邊河道進行金屬切削液治理，由于切削液中含有大量的礦物油，若沒有對其進行治理控制，便會導致水體污染，甚至魚類病亡[6]。通過電催化氧化設備治理14 天后，河道生態有了顯著改善，水質也有了明顯提升，如表2 所示。在治理過程中，該廠針對技術設備的應用，總結出下述優勢，為同行業提供參考，第一，其催化電極使用時限相對較長；第二，控制點相對較少，操作極為簡便，氧化全過程僅需要一臺電催化氧化器便可；第三，電催化氧化時間通常在10～20 min左右，大幅減少電能消耗，有助于企業成本控制；第四，研發的新型電極表面呈多孔，使得內應力降低，加之電極壽命相對較長，其對污染物的降解水平有了顯著提升，而且電極沒有鈍化感；第五，能夠適用于多種不同的水體，并且可以同時去除廢水當中大量的氨氮等有機物質，其脫色脫毒的效果十分顯著。

表2 電催化氧化設備對河道處理前后水質指標變化

5 電催化氧化技術在化工污染水體治理中的應用

5.1 電鍍廢水處理技術

通常情況下，電鍍廢水中含有大量的重金屬，如：鐵、鎳、鋅、銅等，這些重金屬離子不但會對水體造成嚴重的污染，而且還會造成大量的資源浪費，基于此，可以借助電滲析、離子交換、再電滲析的方法來予以處理，這樣不但能夠減少廢水中的重金屬含量，還能夠有效地回收重金屬。例如，山東省某化工廠在處理廢水時，由于廢水中含有大量的重金屬，其中包括亞硝酸鈉、銅、鉻等，因此，該廠采用了電滲析與離子交換的技術進行污水治理工作，具體操作如下：第一，利用電滲析技術，將廢水中對氧化和還原反應比較敏感的金屬離子予以置換；第二，利用離子交換法，將金屬離子轉化成活性物質，提高原本不會發生化學反應的離子的活躍性；第三，再采用電滲析技術，將金屬離子轉化為金屬。通過此類技術組合使用的方式，可以有效地減少污水中的金屬元素含量，并保證金屬得以有效回收與再利用。綜上所述，采用上述方法，該化工廠污染水體治理工作取得了良好的應用成效。

5.2 苯胺廢水處理技術

現階段，諸多有機化工企業在生產的時候時常借助酚類物質，但是酚本身具有較強的毒性，不但會導致癌癥、畸形的發生，而且極有可能導致突變，若化工廠產生的含酚廢水被排放到周邊土壤和周邊水體里，那么極有可能會危及到附近居民和動物的生命健康，甚至對植物的生長也會造成一定的負面影響。因此，我國已經針對苯酚工業廢水的排放標準出臺了一系列規定，化工廠廢水處理過程中，可通過改變苯酚pH值、濃度、電解質濃度和負荷電壓，對該廢水進行電化學處理，獲得較好的處理效果。通過大量的實驗證明，當電解質濃度為22 g/L、pH 為8、加載電壓為5.5 V 時，該方法的治理效果比較好。

5.3 硝基苯廢水處理技術

硝基苯是一種極其特殊的化合物，不但毒性極強，還會導致癌變、突變，并且極易被生物降解。長期以來，其使用標準都被國家嚴格控制。對硝基苯廢水的處理也可借助電催化氧化技術，將活性炭填入電極之間，可將廢水中的硝基苯轉化生成能夠生物降解的苯胺。

5.4 酸性廢水處理技術

化工廠在電鍍操作過程中，通常會出現大量的酸性廢水，其pH 在2～5 之間。這樣的廢水一旦流入到土壤中，就會對土壤結構造成嚴重的破壞，同時對綠色植被的生長造成一定的負面影響。而采用電催化技術處理該類廢水，可以實現90% 以上的廢水回收效果，并且不需要耗費大量的堿，可以有效地減少治理污水的成本支出。

6 結語

綜上所述，應用電催化氧化技術對化工污染水體治理的過程中，水體污染情況得到了合理、有效的良好控制，并對化工企業本身發展情況也有極大的促進作用。所以，化工企業務必要提高對電催化氧化技術治理污水的有效關注，并將其廣泛應用到污水處理當中，以此改善化工廢水污染情況，促進我國能夠基于綠色、環保理念更好發展。