化學(xué)、化工技術(shù)在水處理中的應(yīng)用培訓(xùn)課件(參考版)
2024-12-31 02:51本頁面
【正文】 研究實際廢水體系的部分電化學(xué)降解和完全氧化過程，系統(tǒng)地考察電流密度、溫度、 pH、電解質(zhì)、廢水濃度、傳質(zhì)方式和速度、停留時間等因素的影響，設(shè)計最佳工藝路線。根據(jù)所研制的電極和已知的較明確的氧化機理，進行電極結(jié)構(gòu)和反應(yīng)器的合理設(shè)計以及操作條件的優(yōu)化的系統(tǒng)研究。主要包括電極的制備和優(yōu)化、電催化活性和選擇性、電極的壽命等問題。包含有機化合物分子在電極表面的電子轉(zhuǎn)移，或高電位下產(chǎn)生的強氧化性物種與有機物分子的作用，以及電催化體系中產(chǎn)生強氧化性物種的種類和方式等內(nèi)容。從解決實際問題出發(fā)開展電化學(xué)氧化法的基礎(chǔ)理論研究、電極材料研制、電化學(xué)反應(yīng)器的開發(fā)以及電化學(xué)氧化工藝研究是目前的發(fā)展趨勢。 電化學(xué)氧化法的發(fā)展趨勢 有機廢水電化學(xué)氧化處理方法的研究開發(fā)，其目標是工業(yè)化。目前在理論和應(yīng)用方面的研究正在起步。由于電極面積較大，能以較低的電流密度提供較大的電流強度，且粒子之間間距小，傳質(zhì)過程得以極大改善，時空產(chǎn)率和電流效率大大提高，尤其對低電導(dǎo)率的廢水，優(yōu)勢明顯。因此，有人用拉伸的鈦網(wǎng)作為電極的基體來解決這個問題。電極的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)隨著氧化物涂層的組成和制備方法而改變，可獲得良好的穩(wěn)定性和催化活性。適用于電化學(xué)氧化降解有機污染物的高效陽極材料，應(yīng)具有較高的析氧電位，使有機物在陽極上直接被氧化的幾率提高； 電極結(jié)構(gòu)的研究 電催化電極從結(jié)構(gòu)上可分為二維電極和三維電極兩大類。經(jīng)過高溫?zé)峤夂笤阝伝w表面形成 SnO2和 Sb2O3。 c 錫銻涂層鈦電極 錫銻涂液是由四氯化錫、三氯化銻、鹽酸以及醇組成的溶液。 釕鈦涂層電極的涂層一般制備方法是利用刷涂或浸漬的方法在鈦基體上覆蓋一層釕鈦金屬鹽的鹽酸醇溶液，在中溫下烘干，然后在高溫下熱解氧化形成釕鈦的氧化物簿層。釕鈦涂層電極是在 1965年由 H. Beer發(fā)明的。OH] ads + H+ 其中 PbO2 [ ]代表 PbO2電極表面的空穴。電沉積二氧化鉛的氧化過 程分為兩步：首先生成氧，氧以 OHads的形式 吸附在電極表面；然后這些吸附的粒子再和 Pb2+生成可溶性的中間產(chǎn)物 Pb(OH)2+，并最 終氧化成 PbO2。但傳統(tǒng)意義的二氧化鉛電極機械性能較差，而鈦是一種耐腐蝕、重量輕、強度大的金屬，鈦的熱膨脹率與二氧化鉛的熱膨脹率接近，因此人們開始研究以鈦材為基體的鈦基二氧化鉛電極?；瘜W(xué)熱解的方法主要是在鈦材表面高溫氧化形成氧化物層。研究發(fā)現(xiàn)鈦基涂層電極的性能與鉑電極的性能相近 . 電極材料改性 電極改性的研究主要集中在以鈦材為基體，采用電沉積、電鍍和化學(xué)熱解的方法制備改性電極。但是由于價格昂貴，限制了鉑電極的應(yīng)用。 鈦基涂層電極 鉑金屬電極穩(wěn)定，耐腐蝕，可用于任何介質(zhì)；氧過電位很高；析氫過電位很低。但鉛合金電極也存在使用過程中易變形，造成短路，降低電流效率；電能耗比較大的問題。當(dāng)鉛和鉛合金浸入硫酸介質(zhì)后，表面迅速生成一層 PbO2簿膜。而且在廢水處理實驗中發(fā)現(xiàn)石墨電極的析氧電位過低，不利于污染物的電化學(xué)氧化 。 石墨電極 碳電極和石墨電極具有導(dǎo)電性能好、耐腐蝕性強、易加工且價格便宜等諸多優(yōu)點。 1968年涂層鈦電極工業(yè)化后，從此進入鈦電極時代。因此，電化學(xué)氧化法研究的核心內(nèi)容是新型電化學(xué)陽極、電化學(xué)反應(yīng)器和電化學(xué)氧化方法的開發(fā)研究。 電流效率與有機物發(fā)生氧化的電極反應(yīng)本身以及電極選擇性有直接關(guān)系，實際使用電壓則與極板間距、電極過電位、電解質(zhì)溶液電導(dǎo)有關(guān)。OH] + Fe3+ 2 電極材料開發(fā)研究狀況 電化學(xué)氧化法工業(yè)化的關(guān)鍵在于降低操作費用和提高處理效率?，F(xiàn)在人們開始關(guān)注利用電化學(xué)的方法產(chǎn)生 Fenton 試劑，并直接應(yīng)用于廢水處理工程中。 介質(zhì)離子 強氧化劑 陽極 溶液中氧化作用 有機污染物 污染物被降解后 圖 2 污染物電化學(xué)間接氧化過程示意圖 電解－ Fenton法 Fenton試劑具有很強的氧化性，因此受到廣泛的關(guān) 注。 電化學(xué)間接氧化的電極反應(yīng)式： 陽極： H2O → 2H+ + [O] + 2eˉ 陰極： H2O + eˉ → [H] + OH ˉ 其中新生態(tài)的 [O]具有強氧化性，也會進一步轉(zhuǎn)化 為 [ 電化學(xué)間接氧化反應(yīng)的過程主要是在陽極生成壽 命短、氧化性極強的活性物質(zhì)，這些中間物質(zhì)主要包 括 es（溶劑化電子）、 [O3]、 [OH] →O2 + MOx + H+ + e MOx+1 → MOx +O2 當(dāng)溶液中存在可氧化的有機物 R時，反應(yīng)如下 : R + MOx[OH] + H+ + e 然后吸附的羥基自由基和陽極上現(xiàn)存的氧反 應(yīng)，并使羥基自由基中的氧轉(zhuǎn)移給金屬氧化物晶格， 而形成高價氧化物 MOx+1： MOx [陽極表面氧化過程分兩階段 進行，首先溶液中的 H2O或 [為了節(jié)約成本和降低能耗，一般污染物只要被氧化成可生化的物質(zhì)即可。 電化學(xué)直接氧化法是利用陽極的高電勢氧化降解廢水中的有機或無機污染物，在反應(yīng)過程中污染物直接與電極進行電子傳遞。但反應(yīng)受到電極材料及副反應(yīng) 析氧反應(yīng)的限制，降低
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