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污水处理新技术—电催化还原

发布时间:2020-03-19 10:57:27     浏览: 150 次    来源:泓润科技
  电催化还原技术利用了物质的化学性质,比传统的污水处理技术更加清洁高效,并且通过外部电场的作用,电子在污染物溶液阶段的离子之间移动,从而昂贵的高毒性物质阳离子被电子还原,阴离子失去氧化作用。导致无毒。元素材料被回收或转化为低成本的可生物降解的低毒性材料。该技术首先实现无害化污染物处理,真正意义上满足零污水排放要求,同时变废为宝,加工污染物处理后的资源利用新技术。
  电催化还原技术是目前治疗高毒性污染物和难降解有机物的新技术。在污染控制行业,该技术应用的研究和开发引起了包括中国在内的多个国家和国家的相关技术人员和专家的高度重视,技术应用的瓶颈逐步得到解决。
  一、电化学原理
  电化学是研究电能和化学能的转换。
  原电池:化学能转化为电能
  电解槽:将电能转换为化学能
  转换标准:
  1、所涉及的化学反应应具有电子转移:——氧化还原反应。
  2、必须在电极上进行化学反应。
  原电池:通过氧化还原反应将化学能直接转换为电能的装置。
  主电池配置:
  阴极:从电子流出并经历氧化反应的极。
  阳极:通过引入电子发生还原反应的极点。
  二、电催化剂的定义和特性
  1、定义:
  在电场的作用下,存在于电极表面上或溶液上的变形可以促进或抑制在电极处发生的电子转移反应,并且电极表面上或溶液相本身上的变形不会改变。
  2、电催化剂特性:
  (1)在常规化学催化剂中,反应物和催化剂之间的电子转移在限定的区域内进行。因此,在反应过程中,不可能从外部电路提供电子并诱导电子或从反应系统获得电流,并且在电极催化反应中存在纯电子的运动。作为非均相催化剂,电极既是反应位点又是电子供给和接收位点,即电催化反应具有催化化学和电子转移的双重功能。
  (2)在常规的化学催化反应中,电子转移过程不能从外部控制,在电催化反应过程中,外环可用于控制电流,反应条件和反应速率可以相对容易地控制,可以实现轻微电解。氧化还原反应的条件。电催化反应的电流输出可用作确定反应速率的基础。
  三、电催化剂去除污染物的基本原理和特点
  电化学还原
  直接还原:污染物直接在阴极处还原以获得电子。
  基本方案是M2 ++ 2e-→M。
  许多金属的回收是一种直接还原过程,可以将各种氯有机物转化为低毒物质,提高产品的生物降解性。例如:R-Cl + H ++ 2e-→R-H + Cl-。
  间接还原:电化学过程中产生的一些还原物质,如Ti3 +,V2 +和Cr2 +,可用于转化为元素硫,从而减少和消除污染物,如间接电化学还原二氧化硫。 SO2 + 4Cr2 ++ 4H +→S + 4Cr3 +电化学氧化直接氧化:当阳极处的电子丢失时,污染物直接被氧化,有机物质的直接电催化氧化分为两类。
  (1)电化学转换——将有毒物质转化为无毒物质以进行进一步的生物处理,或将生化困难的有机物质转化为生物化学物质(例如脂肪酸,例如芳环开环氧化)。
  (2)电化学燃烧——直接将有机物氧化成CO2。
  金属氧化物阳极上的氧化反应机理和有机化合物的产物与表面上的阳极金属氧化物和氧化物的价态有关。在金属氧化物MOx阳极上形成的较高价金属氧化物MOx + 1选择性地氧化有机物以形成氧化含氧化合物。
  在MOx阳极产生的自由基MOx(OH)通过有机物的氧化燃烧促进CO 2。
  具体的反应机理如下:在析氧反应的潜在区域中,可以在金属氧化物的表面上形成昂贵的氧化物,使得阳极具有两种活性氧状态:吸附在晶格中的羟基自由基和存在昂贵的氧化。氧化物质。阳极表面上的氧化过程分两个阶段进行。
  首先,溶液中的H 2 O或OH形成吸附在阳极上的羟基自由基。
  MOx + H2O→MOx(OH)+ H ++ e-
  吸附的羟基自由基的氧转移到金属氧化物晶格中以形成高价氧化物。
  MOx(OH)→MOx + 1 + H ++ e-
  在溶液中不存在有机物质的情况下,自由基的氧生成反应以两种状态发生。
  MOx(OH)→O2 + MOx + H ++ e-
  MOx + 1→MOx + O2
  当氧化有机物质R存在于溶液中时,反应如下:
  R + MOx(OH)→CO2 + MOx + H ++ e-
  R + MOx + 1→MOx + RO
  直接电化学氧化在含氰化物,苯酚,醇和含氮有机染料的废水处理中起着非常有效的作用。
  间接氧化:具有强氧化作用的中间产物或通过阳极氧化阳极反应以外的中间反应产生的中间体(·OH,O2,HO2等),氧化处理过的污染物,最后氧化污染物以拆卸为目的。为实现高转换效率,电催化氧化还原过程必须满足以下要求:
  (a)氧化还原剂的产生潜力不应远离析氢或析氧反应的可能性。 (b)氧化还原剂的产生速度应足够大。反应速度很快; (d)较少吸附电极上的其他物质(或污染物)。3.电凝
  在使用铝或铁可溶阳极的电解过程中,在施加直流电之后,阳极材料在电解过程中溶解以形成金属阳离子,例如Fe3 +,Al3 +和胶体胶体,其中颗粒在溶液中。会的。促进水中胶体杂质聚集和沉淀以去除污染物的物质。
  4.电浮选
  在废水的电化学处理过程中,H2和O2分别通过电极反应在阴极和阳极上沉淀,产生小直径(约8-15μm)的气泡和在载体吸附系统中作为胶体颗粒的高分散。悬浮的固体悬浮在水表面上形成泡沫层,并通过机械方法除去,以达到分离污染物的目的。通过调节电流,电极材料,pH和温度可以改变气体产生和气泡尺寸以适应不同的需要。
  5.光电化学氧化
  在电场作用下,光催化剂用作电化学催化剂电极,使阳极电解,催化分解阳极槽中的有机物,在紫外线作用下,污染物降解,大大改善了难以分解。有机物的催化裂解效率。
  第四,影响电催化剂效率的因素
  影响电催化剂效率的因素主要包括电极材料,电解质溶液,废水的物理化学性质和工艺元素(电化学反应器结构,电流密度,能量供应等)的四个方面。
  电极材料
  电极材料的选择直接影响有机物的分解效率(高电位)。应尽可能避免电极材料竞争副反应(氧气生成反应),电化学反应速率的顺序可根据电极材料而变化,因此应仔细选择具有高电催化活性的电极材料。为了改善电极的催化活性,通常通过以下方法修饰电极:
  (1)向电解质中加入催化材料;
  (2)将电极改变为具有高活性的材料;
  (3)电极材料表面的变形。
  另外,电极掺杂是改变电极材料的组成和性质的常用方法。例如,Sb掺杂的SnO2电极的导电性和催化氧化性能得到了极大的改善。掺杂电极对于析氧反应具有非常高的过电位和高电流效率。卤素掺杂和有机卤化化合物具有强烈的延迟效应,这可以降低在电催化反应过程中形成有毒卤化化合物的可能性。
  2.电解质溶液
  (1)电解质浓度
  溶液浓度太低,电流小,分解速率低。电解质浓度越高,溶液的电导率越高,电压效率越高,但是,当电解质浓度达到一定浓度时,电压效率趋于平缓。
  (2)电解质的种类
  Na2SO4:惰性电解质电解效率,不参与电解过程中的反应,只传导电能,只与浓度有关。NaCl:在电解过程中参与电极反应,Cl-被氧化,然后转化为HClO。后者是一种强大的氧化剂,不仅可以直接氧化有机物质,还可以防止有机物质(或中间体)吸附在电极表面上。 (减少电极活性)。缺点:随着Cl-的加入,副反应,如游离氯的形成或电极上单原子氯的吸附,可以与溶解在废水中的有机物质或氧化中间体发生反应,使其有毒,更难以分解有机氯。 Cl  - 在电极上的吸附影响电极上有机物的吸附和氧化,Cl 2的产生也降低了电流效率。
  3、废水的物理和化学特性
  相同的电极对不同的有机材料表现出不同的电催化氧化效率。废水系统的pH通常会影响电极的氧化效率,这种影响不仅与电极的组成有关,而且与氧化物种的类型有关。为了增加废水的电导率,添加支持电解质(例如,NaCl,Na 2 SO 4)可以降低功耗并提高处理效率。
  4、处理系数
  ——反应器:二维反应器,三维反应器;
  ——电流密度;
  ——电解时间;
  ——溶液传质;
  由于不同有机污染物分解所需的各种条件的最佳指标不同,有必要研究电极上有机物的氧化历史,开发高效电极材料,确定最佳分解条件,提高电解效率。污水处理费用。
  5、电催化剂技术的优点,局限和前景
  1.电催化技术的优点
  (1)电子转移仅在电极和废水组分之间进行,不需要额外的氧化还原试剂,也可以避免由于添加化学物质引起的二次污染。
  (2)通过改变施加的电流和电压,可以随时间调整反应条件,并且可控性强。
  (3)反应过程中产生的自由基可直接与废水中的有机污染物发生反应,可分解为CO2,H2O和简单的低分子有机物,几乎没有二次污染。
  (4)高能效,温和的反应条件,电化学过程一般在室温和常压下进行。
  (5)如果设计合理,反应堆设备及其操作通常相对简单且便宜。
  (6)如果污水排放量很小,可以进行局部处理。
  (7)如果废水含有金属离子,阳极和阴极同时起作用(阴极还原金属离子并阳极氧化有机物),提高处理效率,同时回收和再利用有价值的化学品或金属,可以避免。二次污染。
  (8)具有吸附,絮凝和杀菌功能。
  (9)作为清洗工艺,设备安装面积小,特别适合拥挤城市的污水处理。
  (10)它可以与单独处理或其他处理方法组合处理,例如,作为预处理,它可以将难降解的有机或生物有毒污染物转化为可降解物质,以改善废水的生物降解性。
         6、电催化剂技术的局限性
  (1)电解处理有机污染物的机理仍然不足,无法为电极选择,工艺设计和工艺参数设定提供具体的理论指导。
  (2)电流效率仍然很低,经济上不合理。目前正在研究的电极的成本相对较高(主要是指各种贵金属电极或钛基电极),并且在该过程中功耗很高,即加工成本相对较高,因为实际电极材料不高并且寿命通常不长。由于它不适合大规模的促销,高效复合电极的制备是工业应用的先决条件。
  (3)三维电极的引入解决了传质问题,但在床中引起电流和电压的分布。一些理论模型与实验测试一致,但仍不足以指导实际应用。三维电极的电极堵塞也是亟待解决的问题之一,高效合理的反应器设计也是工业化和应用中必须解决的问题。
  7、电催化技术展望
  (1)电催化技术的应用前景
  在电解过程中,产生强氧化剂,使得有机污染物以均匀或不均匀的方式完全氧化成二氧化碳和水。生物难降解的有机物质被电化学转化为可生物降解的有机小分子。有毒有机物向无毒有机物的转化主要通过电解打开环状化合物以形成可生物降解的脂肪化合物来实现。
  (2)研究方向(目标:工业污水处理技术的应用)
  开发新的电极材料,以提高电流效率和催化活性,实现有机污染物的低成本去除;电化学氧化机理研究,特征电极设计和特定污染物的制造和加工要求;强调改善工艺条件,降低能耗和降低运营成本,提高处理效率,提高智能水平,更容易控制电化学方法,稳定加工效果以及实现自动化和智能操作。
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