电化学反应器的生物膜电极材料性能概述研究

白纪睿

摘 要：電催化氧化法在污水净化、垃圾渗滤液、制革废水、印染废水、炼油废水等领域的应用研究进展，使人們对这一方法的期待更加迫切。但是，至今为止电催化氧化法在工业上应用，还存在许多待解决的问题。因此开展电催化氧化法处理难生物降解有机废水的研究开发工作很有必要。本论文是电催化氧化在工业化过程中的基础研究和应用研究。从电催化氧化法处理有机废水的实际问题出发，开展有机污染物的电催化氧化降解机理及其历程、电极材料研制、电催化氧化工艺的基础和应用研究具有重要的科学意义和应用前景。

关键词：电催化氧化法；生物膜电极材料性能；工业废水的处理

1 引言

工业废水由于生产过程、原料和产品的不同，而具有不同的性质和成分，一种废水往往含有多种成分。根据废水的污染程度，工业废水可分为净废水和浊废水（或生产污水）两类。净废水来自各种工业设备间接冷却用水，仅水温升高，污染轻微，可经某些简单处理后循环使用或排入水体；浊废水主要来自生产过程中与物料直接接触所排出的废水，污染程度较重，必须经过严格处理才能循环使用或排入水体。根据浊废水中所含成分，工业废水也可分为无机废水、有机废水、混合废水、放射性废水等。由此可见，工业有机废水不仅使水体BOD和COD值增大，其毒性还对人体、水体、鱼体以及农作物产生严重危害。随着我国工业的快速发展，工业有机废水的排放量和种类日益增加。它的大量排放给环境带来了严重污染，有害于人类健康及生物的生长繁殖，影响经济的可持续发展。对于用于有机污染物去除的生物膜电极材料，其降解性能的影响因素及作用机理却鲜有报导，了解生物膜电极制备条件对电极表面形态及工作性能的影响，是生物膜电极材料应用的关键问题之一。

2 国内外研究现状

早在20世纪40年代国外就有人提出利用电化学法处理废水，但由于电力缺乏，成本较高，发展缓慢。60年代开始，随着电力工业的发展，电化学法才被真正地用于废水处理过程。

根据电催化氧化法处理废水的需要，人们主要在DSA型氧化物电极涂层、制备方法、电极结构和电极的应用性能等方面进行电极材料的研究和开发工作，主要包含电极材料的开发、电极结构的研究、电极应用性能的研究。Iniesta，Michuad等人用BDD电极在酸性介质中进行了酚的电化学氧化研究。梁镇海等人研制了Ti/SnO2+Sb2O3+MnO2/PbO2阳极用于氧化处理焦化含酚废水。Polcaro等进行了电化学降解废水中的2-氯酚进行Ti/SnO2和Ti/PbO2性能的研究。M.Fleiscmhamm，F.Goodrdige及其合作者研制成功了复极式固定床电极（Bipolar Packed Bed Electrode简称BPBE），槽内电极材料在高梯度电场作用下复极化，形成复极粒子，分别在小颗粒两端发生氧化一还原反应，每一个颗粒都相当于一个微电解池。由于每个微电解池的阴极和阳极距离很小，迁移容易实现。由于整个电解槽相当于无数个微电解池串联组成，故效率成倍提高。

3 研究热点

3.1 电催化氧化技术处理化工废水的研究

使用二维或三维电极反应器对某炼油厂的反渗透浓缩水和某氯醇法生产环氧丙烷过程中产生的皂化废水进行处理。研究反应器型式、电流密度、通电时间、电解液流速、电极材料和相对面积等多种因素对废水处理效果的影响。

3.2 有机污染物的电催化氧化降解动力学的研究

研究有机物草酸在采用活性 Ti/Ir02一TaZO：电极为阳极的圆柱形电化学反应器中的整个降解过程。由于有机污染物的电催化降解包含两条都属于“直接电氧化”的反应路径，建立了能描述整个降解过程的瞬时电流效率与溶液本体有机物浓度的关系式。

3.3 电化学反应器的流动特性和传质性能研究

使用常见的脉冲响应技术测定了实验室规模的滤压式电化学反应器的停留时间分布，并结合数值模拟手段（fluent软件）加以验证传质强化的原因。

3.4 生物膜电极制备速度影响因素的研究

研究用于苯酚降解的生物膜电极制备过程中影响膜生长速度的因素，分别讨论基体材料、吸附方式、细菌含量、环境温度、苯酚浓度和电流强度对微生物吸附速度的影响。研究生物膜厚度、降解体系组分、电极使用方式及溶解氧对生物膜电极降解苯酚性能的影响。

4 结论

电化学法兼具有高效和环保的特点，在无害化处理水中有机污染物方面具有一定的优势。电极材料作为电化学技术应用的核心，其开发和性能的充分发挥是解决阳极氧化和生物膜阴极水处理技术的关键。因此，本论文以处理水中有机污染物为目的，对电化学氧化技术和生物膜电极技术的高效应用问题开展一系列基础研究。生物膜电极材料是采用固定化技术将微生物固定在电极表面，形成一层生物膜。此类电极材料由于其结合了电化学和微生物双重作用，使生物膜电极材料在水中污染物治理、储能设备开发及生物传感领域都具有重要的应用前景。

参考文献：

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