有机废水处理技术

Posted 2023-01-15 水处理

篇首语：知识是头上的花环，而财产是颈上的枷锁。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了有机废水处理技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

近些年来，随着工业的迅速发展，有机废水的污染问题也越来越严重，该类废水不但稳定性高而且毒性也强，难以用常规的生化法降解处理。因此，在水处理有机废水领域，电化学催化氧化技术作为一种环保的氧化技术得到了普遍的应用。电极在该技术中起着非常重要的角色，其中，对以Ti作为基体的氧化物涂层电极各个方面性能的研究是主要的内容之一。国外学者对Ti/Bi2O2-PbO2、Ti/Fe-PbO2以及Ti/PbO2等电极的性能做了全面系统的研究。国内在这方面也取得了一些研究成果。如周明华等研究了掺氟、掺铁PbO2电极对含酚废水的催化降解特性；为了研究析氯电位的变化对阳极寿命产生的影响，黄文沂等运用 Co 和 Mg 催化剂在硝酸铅中电沉积 PbO2作为阳极。在电化学处理有机废水的研究领域，有关钛基体涂层电极的研究需要进一步的完善与探究。

1 Ti基体涂层电极简介

Ti基体涂层电极是以钛网、钛板、钛丝、钛棒等多种形状的纯钛为基体，先对Ti基体预处理，通过热分解法、喷雾热解法和溅射法等化学方法以及溶胶-凝胶法、恒电流法、恒电位法、循环伏安法和脉冲伏安法等电化学方法，在钛基体的表面涂覆一层金属氧化物而制成的一种各个方面性能稳定的复合电极。这样制得的Ti基体涂层电极的导电性、稳定性和电催化活性都很高，进而确保了Ti基体涂层电极的优越性。目前，在电化学有机废水处理的研究方面，对Ti/IrO2、Ti/SnO2、Ti/PbO2、Ti/RuO2电极等的研究比较多。通过对氧化物涂层的制备工艺和氧化物涂层的组分进行改进，从而获得析氧电位和催化活性高，以及稳定性好等性能优良的电极。笔者对以上几种常用的钛基体涂层电极的性能和优缺点做了较全面的总结，对新制备的Ti/MnO2电极的性能也做了总结，同时对Ti基体涂层电极今后的发展做出了展望。

1.1 Ti/IrO2电极

在发生析氧反应的电化学产业当中，由于Ti/IrO2电极析氧电位高、导电性、耐腐蚀性和稳定性良好，因而，在实际应用当中被广泛地使用。目前，在电化学的有机废水降解领域，Ti/IrO2电极的应用受到很大程度的关注。刘咏等用Ti/RuO2-IrO2电极做为电化学降解有机废水时的阳极，在一定的条件下，电解处理苯酚废水1 h后，能够使苯酚的去除率达到94.6%。R. Tolba等用热分解法制备了Ti/ Ta2O5-IrO2、Ti/SnO2-IrO2、Ti/RuO2-IrO2、Ti/TiO2-IrO2等4种电极，这4种电极的主要成分是IrO2，为了使电极的电催化活性和稳定性增强，才加入了Ta2O5、SnO2、RuO2、TiO2；用这4种电极进行木质素的电催化氧化降解，结果表明，稳定性能最好并且对木质素降解活性最高的电极是Ti/RuO2-IrO2，Ti/Ta2O5-IrO2电极的析氧电位最高，可是其对木质素的氧化活性最低。

1.2 Ti/SnO2电极

在常温下电阻很高的SnO2是n型半导体材料中的一种，因而其不能直接作为电极材料，只能掺入稀土、Sb、Ru、 Ir等才能够显著提高Ti/SnO2电极的导电性。在电化学降解有机废水的研究方面，掺杂其他元素的Ti/SnO2电极被广泛地研究和应用。厉炯慧等应用凝胶-溶胶法制备了 La 掺杂的Ti/SnO2电极，并用该电极降解邻硝基苯酚废水，结果表明，在最佳实验条件下，经过长达 3 h的电解实验，邻硝基苯酚的去除率达到了 95.1%。

为了使电极寿命得以延长，通常在Ti基体和SnO2涂层之间添加中间层。刘峻峰等制备了Ti/SnO2、Ti/MnOx/SnO2电极，并且对两种电极的表面形貌以及电化学特性进行了相关的研究，结果表明，与Ti/SnO2电极相比，中间层MnOx致密有序，能很好地覆盖在Ti基体表面，使得电化学反应过程中，Ti/MnOx/SnO2电极能够有效地阻止阳极析出的氧气向Ti基体扩散，有效地防止了高电阻TiO2层的生成，使电极寿命延长，同时，该种电极的稳定性也得到了提高。并且由于Ti/MnOx/SnO2表面涂层晶格氧含量多，进而在电化学反应过程中有效地防止了活性物质对电极产生的腐蚀，使电极稳定性明显提高。

1.3 Ti/PbO2电极

Ti基体PbO2电极性能优良，具有在强酸性条件下稳定性和析氧电位高、成本低以及良好的导电性等特点，因此，Ti基PbO2电极被广泛地使用。 Ti/PbO2电极对高分子物质有很强的降解能力，如一些脂肪酸等酸类、苯、酚等芳香族化合物等，其最终的降解产物为CO2和H2O。电极表面有机物质的结垢通常会使PbO2电极的催化活性明显降低，常常通过加入La、Fe、F、Co、Bi、Ce等金属或非金属物质对Ti/PbO2进行改性，从而使该种电极的电催化活性得以提高。掺入非金属或者金属后的 Ti/PbO2电极表面会产生很多的缺陷，使OH-的生成速率加快，从而使电极的电催化活性进一步提高。刘南等采用电沉积法制备了掺杂 La 的Ti/PbO2电极，结果表明，La的掺入改变了电极活性层的结构，明显提高了电极催化降解有机物的能力，同时使电极的寿命延长。

在电解过程中Ti基体涂层电极，常常由于Ti基体上的活性涂层脱落而失活。在活性层和Ti基体之间加中间层可用来延长电极寿命。像其他Ti基体涂层电极一样，在电解过程中产生的O2会透过Ti基 PbO2涂层电极的涂层缝隙氧化钛基体，在Ti基体的表面形成一层导电性能差的TiO2氧化膜，导致电极性能恶化。在Ti基体和PbO2涂层之间插入中间层是解决此问题最有效的方法。常用到的中间层是SnO2+Sb2O3。王雅琼等用热分解法制备了 Ti/SnO2+Sb2O3/PbO2电极，并对该电极进行了研究，结果表明，锡锑中间层能有效地阻止新生态的氧向Ti基体扩散，有效地阻止了TiO2层的生成，从而使电极的使用寿命得以延长。刘瑛等采用电沉积方法制备了铁掺杂Ti/SnO2-Sb2O3/PbO2电极，并对该电极的电化学特性和表面形貌进行了研究，结果表明，掺入Fe3+和引入SnO2-Sb2O3中间层的Ti/PbO2电极的表面结构发生了改变，使PbO2与Ti基体的黏结力增强，同时也提高了电极的电催化活性。

1.4 Ti/RuO2电极

在氯碱工业中，由于RuO2的耐蚀性能强、析氯电位低而被广泛地用作电解电极。同时，在有机废水降解领域，Ti/RuO2电极的应用也越来越受到重视。闫鹤等用Ti/RuO2电极对罗丹明 B 的电化学脱色效果进行了研究，结果显示，在电解条件相同的情况下，罗丹明 B的电化学脱色效果随着溶液浓度的降低而增强。大量的研究表明，氧化物组分和涂层的厚度严重影响着Ti/RuO2电极的电极效率，涂层的剥落、溶解以及存在裂缝是影响电极效率最主要的原因。P. Drogui等用Ti/RuO2电极电解有机废水的过程中产生了高浓度的H2O2，从而部分去除溶液中的可溶性有机碳，如腐殖酸和苯酚等。

1.5 Ti/MnO2电极

先对Ti基体进行预处理，再用电沉积法制备 Ti/MnO2电极。新制备的电极在电解过程中表面层容易脱落，电极寿命很短，用该电极降解处理苯酚废水，去除率只能达到50%左右，Ti/MnO2电极电化学降解前后的表面如图 1所示。

经过实验分析，Ti/MnO2电极寿命短的主要原因是钛基体和二氧化锰层的黏结力差，为了提高这两者的黏结力，在中间加入SnO2+MnO2+RuO2中间层，经过实验测定，加入该中间层后，Ti/SnO2+MnO2+RuO2/MnO2电极的寿命比Ti/MnO2电极提高了5倍，而且降解苯酚的能力也提高了，去除率达到80%以上。

分析原因和前面4种电极有相似的情况，主要是由于中间层的存在阻止了新生的氧向钛基体表面的扩散，从而阻止了TiO2层的生成。同时中间层的存在还提高了外层二氧化锰层和钛基体的黏结力，提高了电极的寿命。

2 总结与展望

结合研究者在实践中的观察与文献资料来看，钛基体涂层电极的催化性能、稳定性、电极寿命等各方面仍需要更进一步的提高和改进。笔者认为，未来几年中，钛基体涂层电极应该着手于下面几方面的研究：

（1）根据电极的制备选择钛基体的形式。因为根据比表面积的不同，活性层的多少将直接影响着电极在电解过程中的催化活性。所以选择钛网、钛板、还是其他形式的钛基体很重要。。

（2）电极活性层和中间层的制备方法。目前，大多数电极的活性层的制备都用热分解法，这种方法在使电极的寿命得到满足的同时，电催化活性却没能达到预期的效果。所以笔者认为将溶胶-凝胶法和热分解法相结合制备的电极效果将有可能更佳。根据文献，溶胶-凝胶法能细化活性层的晶粒，提高涂层的黏结力，热分解法能够提高活性层的催化活性。溶胶-凝胶法和热分解法的结合目前未见研究。

（3）在有机废水的降解领域，Ti/MnO2电极有很好的发展潜力，但是有关Ti/MnO2电极在有机废水的降解领域的研究很少，需要进一步地加强研究。将溶胶-凝胶法和热分解法相结合制备Ti/MnO2电极，并进一步对其在有机废水的降解领域进行研究，将是未来废水处理领域的研究方向。