氧化水处理与电化学催化技术

丁正丹

摘 要：随着经济和各行各业的快速发展，人们生活水平得到了提高，生产生活中的各种废弃物大量进入水中，造成我国水资源的严重污染。随着研究的不断深入，高级氧化技术应运而生并有了显著进展。通过电化学反应将氧气还原为过氧化氢，产生氧化能力极强的羟基自由基，使有机废水中的污染物降解并完全矿化。电催化臭氧技术是一种经济、高效而且对环境友好的水处理技术。

关键词：电催化；臭氧水处理；催化技术

引言

臭氧具有较强的氧化性，能够广泛应用在污水处理中。电化学催化臭氧系统中，使用臭氧发生器将氧气转化为臭氧，并将所得臭氧和氧气的混合气体通过电化学废水处理反应器中，优化反应装置的设计、研制出高效稳定的催化剂及催化剂的固定回收技术、提高处理效率、降低系统运行成本，发展几种高级氧化技术与其他工艺联合使用的组合技术，使其互补不足，尽快实现工业化应用，是高级氧化技术在废水处理领域的发展趋势。

1、电化学水处理技术

早在19世纪70年代，随着电力行业蓬勃发展，电化学水处理技术也备受关注。电化学水处理技术因可产生强氧化性的自由基将有机物完全矿化、在不需要其它化学试剂条件下，这种操作装置简单并且反应条件温和，在控制水体中难降解有机污染物技术中是一种具有很大发展空间的水处理技术。在电流作用下，电化学水处理技术在电极表面发生氧化还原反应，通过直接或者间接方式去除有机污染物质，最终达到污水的无害化处理。电化学水处理技术对污水处理方式主要有电化学间接氧化方法和电化学直接氧化方法。电化学直接氧化方法利用阳极区的较高电势将该区域的有机物氧化，对水体中的有机污染物进行降解。基于电极具有不同材料，在酸性环境中，有两种活化溶液方法，一是在热力学稳定电势下对游离水分子吸附活化。二是在高于溶液热力学稳定电势下的电活化。电化学间接氧化是溶液中的有机污染物与在电极表面通过电化学反应产生的较强氧化性的羟基自由基发生反应，从而有效去除溶液中的污染物。在此反应中，通过电化学反应，产生大量的强氧化性基团，从而将难降解有机污染物矿化为水和二氧化碳。电化学水处理技术相比于传统高级氧化技术具有更强的氧化能力。

2、高级氧化联用水处理技术

2.1、电化学氧化法

电化学氧化法主要是在外加电场作用下，通过电极电位作用产生大量的超氧自由基（O2·）、双氧水（H2O2）、羟基自由基（OH·）等活性基团来氧化降解废水中的有机物。电化学氧化法具有操作简单易控制、处理效率高、污染少等优点，越来越受到广大环保工作者的关注。但该方法也存在一些缺点，首先是电化学氧化法对污染物的去除机理和反应途径尚不明确，因此要加强电化学氧化机理的认识和创新，探索电化学过程，并加强电化学与物理、生物、化学等领域的结合；其次是电化学氧化法设备成本高、能耗大，所以研发新型电极材料、新型电化学反应装置已经成为该技术研究的热点。

2.2、超声氧化法

超声氧化法是利用频率范围为15kHz～1MHz的超声波辐射溶液，形成空化泡，进入空化泡中的水蒸气在局部高温高压作用下，生成局部高浓度OH·、HOO·等自由基和H2O2等物质，并可形成超临界水，从而快速氧化去除废水中的有机污染物[4]。超声氧化法降解效率高、对设备要求低、操作简单，无二次污染，越来越受到人们的关注，是一种很有发展潜力和应用前景的新型水污染控制技术。目前，超声氧化法研究的对象多为实验室单一体系或者是小水量废水的处理，而实际的印染污水中常含有很多种有机污染物，这些有机污染物多为亲水性或难挥发物质，因此，研发超声氧化法与其它高级氧化技术联用，提高超声氧化法在实际印染废水处理中的实用性，是其今后主要的发展方向。

2.3、光化学技术

光化学氧化水处理技术是近年来新兴的水处理技术，通过光解方法和光催化方法实现对有机污染物的降解。光解是通过波长小于190nm的紫外光照射待处理污染物，从而产生有强还原性的离子和强氧化性离子。光催化氧化技术是一种节能高效甚至可以完全矿化有机物等优点。基于量子利用率低、设备投资高、能耗大，并且催化剂需要重新回收再生这些缺点，在实际废水处理中，光化学氧化技术很难被应用。

2.4、臭氧氧化法臭氧（O3）氧化能力极强，其氧化还原电位为2.07V，因此在污水处理中有着广泛的应用。臭氧氧化技术作为一种高级氧化技术，因其使用方便、降解速度快、易控制管理、不产生二次污染等优点，在染料废水的除色和难降解有机物的去除等领域得到快速发展。臭氧与印染废水中的污染物有两种反应途径：一是直接反应，即臭氧通过亲核或亲电作用直接同有机物反应；二是间接反应，即臭氧在碱等作用下，分解产生OH·与有机物发生反应，生成小分子酸、醛、CO2等，从而达到彻底矿化有机物，提高废水可生化性的目的。臭氧氧化技术在处理污水过程中不会产生污泥和二次污染，且臭氧发生装置简单紧凑、占地面积少，条件温和，容易实现自动化控制和管理，但同时也存在着一些缺点：臭氧在水中的溶解度小，利用率低，處理效果不稳定，需要过量才能取得较好的效果；臭氧发生装置效率低，能耗大，运行成本高，对设备要求高。这些缺点阻碍了臭氧氧化技术在污水处理领域的推广使用，因此开发新型高效低能耗的臭氧发生装置、提高臭氧利用效率、降低处理成本、发展与臭氧联合使用的其他工艺是臭氧在染料废水处理中推广使用的前提条件，也是臭氧氧化技术当前要解决的关键问题之一。

结语

高级氧化技术作为一项快速发展的污水处理技术，以其高效、氧化降解彻底、适用范围广以及环保等优点越来越得到研究者的重视，有着广阔的发展前景。如何实现在常温常压下快速而经济地产生大量的羟基自由基，怎样实现节能，发现更高效率更易回收的催化剂，研制高强度耐腐蚀的设备材料以及创造更高效率的反应器结构将是未来的研究重点。

参考文献

[1] 谢卫东.高级氧化技术机理及在污水处理中的应用分析[J].高新技术，2014（6）：23-24.

[2] 方景礼.废水处理的实用高级氧化技术[J].电镀与涂饰，2014，33（8）：350-355.