电化学氧化技术去除有机物的研究进展

李莹莹 郝丽娜

摘要：电化学氧化法因具有药剂用量少、自动化程度高、污染小及催化性能高等特点成为国内外研究的热点。从介绍电化学氧化技术的原理出发，解析不同的电化学氧化技术和耦合技术，结合不同的方法阐述相应的应用实例，并对电化学氧化技术的前景作出展望，以期电化学氧化技术能快速发展。

关键词：电化学;有机污染物;电极;氧化

有机污染物（例如有机废水）早在20世纪60年代就开始采用电化学法来处理，这得益于科学的发展带来了电化学理论研究的发展以及涂层电极的出现。近年来，随着工业的不断发展，各种有机废液和污水的成分更加复杂、难以降解，使用传统的有机物处理方法已经无法满足要求。

电化学氧化技术主要有两类。（1）直接氧化，泛指有机污染物直接被置于电极上经过氧化后被降解的技术。（2）间接氧化，是指有机污染物经过电化学处理时的电极显示所产生的强烈氧化物被电子氧化或者降解[1]。直接氧化法去除有机物也可以分为电化学转换法和电化学燃烧法两种。转化法主要是将空气中的有机物氧化成小分子，达到降低毒性的目标;燃烧法主要是将空气中的有机物氧化成无机物（例如水和CO2）的过程。

在多种有机物处理方法中，电化学氧化技术具有药剂用量少、自动化程度高、污染小及催化性能高等优点，被广泛用于有机废弃物的处理。电化学氧化技术适用于多种场景有机废液的去除，且工艺较为简单、占地面积较小、可控性强，但也存在高能耗、高成本和处理不彻底等不足。如今，电化学氧化技术单独使用或者结合其他技术共同处理有机物均有广阔的前景。

1 电化学氧化技术分类

电化学氧化技术是利用电化学对难以降解的有机废弃物进行直接氧化降解的过程，或者电解过程中电极周围产生强氧化性中间产物对有机废弃物等进行间接氧化降解的过程。常用的电化学方法有电絮凝法、电渗析法、电气浮法、磁电解法、微电解法、电沉积法、内电解法、电芬顿法等[2]。电化学氧化技术还可以与其他技术耦合，形成光电催化氧化法、电化学-芬顿法、电化学-超声氧化法等技术[3]。

1.1 电絮凝法

电絮凝法采用的阳极是铁铝。通直流电后，产生铁离子和铝离子，水解之后，经过不断的聚合和氧化，杂质凝聚为絮状沉淀，达到分离的目的。电絮凝法适用于生活污水和染色污水中有机废弃物的去除，不但操作简便，而且使用范围较广。

1.2 内电解法

内电解法先将铁碳改性，通过催化剂的作用直接在有机废液中形成原电池，污染物在这些微小的原电池的正负极上被氧化降解。由于是直接在有机废液中形成原电池降解，无需外加电压，对铁和碳的要求很低，废料即可，具有成本低、投资少、处理效果好等优点。

1.3 电渗析法

电渗析法是采用直流电场，溶液中的离子通过离子交换膜进行迁移，从而分离出电解质的过程，主要利用离子交换膜的选择透过性，具有设备易操作、便于管理维修、使用寿命较长、回收率较高等优点。

1.4 电芬顿法

电芬顿法主要采用羟基自由基将有机污染物氧化降解为小分子。羟基自由基主要由电极周围产生的双氧水与二价铁离子反应形成。其中，主要的影响因素是电压和电流，还受到pH、曝气速率和电流密度等因素的影响。总的来说，电芬顿法具有便于自动化控制的优点，但由于电极效率较低、能耗较高，还未能大规模应用。

1.5 光电催化氧化法

光电催化氧化法是一种增强高效版的光催化氧化技术，近年来发展迅猛，得到了广泛应用。此方法能充分利用光-电催化效应，使原本不易分离的光生电子和空穴朝着不同方向分离，同时能利用光电协同作用，大幅度提高降解效率。

1.6 电化学-芬顿法

电化学-芬顿法的实质是通过电化学生成方法，使传统芬顿试剂法中需要添加的亚铁离子及过氧化氢在反应器中自动生成，省去了传统芬顿试剂法外加H2O2试剂的过程，且亚铁离子由阴极生成，减少了处理后污泥的产量。另外，电化学-芬顿法对难降解有机物的降解作用也较强，如电阳极对有机物的直接氧化、电化学中间产物烃基自由基的间接氧化、电絮凝和电吸附等作用。

1.7 电化学-超声氧化法

电化学-超声氧化法是将超声氧化与电化学法相互耦合的新型工业水处理技术。一方面，该技术利用强大的气穴喷射剧烈搅拌反应物，降低边界效应，以改善电极表面的溶液传质;另一方面，超声能产生声空化效应，在溶液局部容易形成短暂的高温高压环境，使反应物大量分解出自由基，并且这种自由基具有较高的活性，提高了对有机物的氧化降解程度。同时，每一个空化泡的崩溃能在电极表面形成射流，也就形成了一个个连续的活化位点，使电极不易因有机物的吸附而受到污染，可以更大程度地维持电极的高度活跃状态。

2 电化学氧化技术去除有机污染物

水体中的有机污染物虽然微量，但污染的持久性对人类和动植物的正常生命活动均造成了严重威胁，如何有效去除这些污染物已成为燃眉之急。一般的水处理技术成效不大。电化学氧化技术具有吸附、氧化降解、转化有机污染物等功能，是去除有机污染物的有效手段。随着技术的进步，不同的电化学氧化技术相继出现，适用的场景也各不相同[4]，采用不同的电化学氧化技术去除有机污染物的应用如表1所示。

3 电化学氧化技术的发展前景

随着经济不断发展进步，环境污染也不断加剧，有机污染物的净化处理和低能耗处理已经成为工业水处理技术的重点研究方向。电化学氧化技术是处理难以用微生物降解的有机废液的有效手段之一，不断深入探索和创新对我国工业可持续发展、保护生态环境以及建设环境友好型社会具有重要意义。

然而，电化学氧化技术并未大规模应用，首先是因为降解机理不明确，对其中形成的羟基自由基·OH无法跟踪监测;其次是因为没有优秀的电化学氧化降解的反应器，由于影响有机污染物去除效果的因素较多，相关研究还比较少;最后是因为电极消耗过多，成本较高且难以控制。这些问题都制约了电化学氧化技术的工业化应用。

影响电化学氧化技术去除有机污染物过程的要素也有很多，例如合适的电解质溶液和浓度、适当的电解时间以及电极材料的性质等[5]。电解质溶液的浓度控制十分重要，浓度变化对有机物的转化分解速率影响较大，也会影响去除有机污染物的成本。电解时间也是影响要素之一，有机废液的电解时间越长，电化学氧化越完全，但同时耗费的能量也越多，所以合适的电解时间非常重要。电极材料不同，发生反应的可能性和速率也不同，稳定性高、耐腐蚀、导电性好、催化活性高、使用寿命长等特点都是一个合格电极应该具备的。

随着科技的进步，电化学氧化法与其他氧化技术进行耦合是大势所趋，可以产生对降解反应的协同效应，进一步提高有机物的降解率和有机物的降解程度，同时要对反应机理、耦合参数及反应器进行研究。当今，电化学氧化技术还需要优化电极材料，电极损耗是制约电化学氧化技术工业化应用的重要因素之一。

4 结语

虽然我国的电化学法处理废水相关研究起步较晚，与其他技术联用的研究也是在国外研究的基础上开展的，但是隨着国力的提高以及国家对科技的重视和对环境的保护，电化学氧化技术可以与光、磁以及声技术融合，不断创新，产生协同作用，降低治理成本，实现经济性和创新性，为工业化应用以及建设环境友好型社会添砖加瓦。

[参考文献]

[1]鲍元旭，袁瑞，李余才，等.电化学氧化法处理含硫污水的研究进展[J].现代化工，2016（2）：42-45.

[2]仲昭宇，宦恒庆，缪莉，等.电化学氧化处理有机废水综述[J].当代化工研究，2019（13）：42-44.

[3]万蕾，王宝辉.电化学氧化耦合先进氧化技术增强氧化难降解有机物的进展[J].能源化工，2015（5）：76-81.

[4]肖羽堂，张飞白.电化学氧化技术去除有机物的研究进展[J].江苏化工，2007（1）：6-10.

[5]徐珍玲.电化学法在生活污水处理中的研究进展[J].安徽化工，2020（6）：10-12，16.