隨著我國工業(yè)的高速發(fā)展，污水排放量日益增加，對(duì)環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，水體污染己成為威脅人類生存的重大問題，而造成水體嚴(yán)重污染的主要因素之一就是有機(jī)類污染物。采用生化法、物理法、化學(xué)法等傳統(tǒng)方法，可以對(duì)多數(shù)有機(jī)污水進(jìn)行有效處理，但鋼鐵、制藥、農(nóng)藥、印染及化工污水中往往含有分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不易被降解的物質(zhì)，甚至是生化毒性物質(zhì)，針對(duì)此類污水僅僅采用傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)有效處理。其中，化工污水還存在排放量大、污染物種類復(fù)雜、污染范圍廣等特點(diǎn)。因此，化工污水成為當(dāng)前污水處理方面的難點(diǎn)，發(fā)展針對(duì)難降解化工污水的處理技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
通過聲、光、磁、電等物理和化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生大量具有強(qiáng)氧化性的自由基，然后利用這些自由基對(duì)污水中有機(jī)物進(jìn)行降解的過程都屬于高級(jí)氧化。此種自由基氧化能力強(qiáng)，其氧化還原電位達(dá)到2.80V，僅次于F2（氧化還原電位為2.87V）。電催化氧化技術(shù)屬于高級(jí)氧化技術(shù)的一種，該技術(shù)可有效降解污水中的有機(jī)物，特別是處理難生化降解的污染物，效果更佳，因此是一種非常具有應(yīng)用前景的污水處理技術(shù)，越來越受到環(huán)保領(lǐng)域的重視。
電催化污水處理技術(shù)的基本原理
目前，電催化污水處理技術(shù)主要分為陽極催化氧化、陰極還原以及陰陽極協(xié)同處理。以下就這3個(gè)方面對(duì)電催化污水處理技術(shù)進(jìn)行介紹。
1.1 陽極催化氧化基本原理
陽極氧化又分為兩種路徑，即直接氧化和間接氧化。陽極表面物理吸附的活性氧，以高活性的·OH形式出現(xiàn)，而化學(xué)吸附的氧，以金屬過渡態(tài)氧化物MOx+1形式出現(xiàn)，污染物通過與·OH或者M(jìn)Ox+1結(jié)合，并被氧化，最終被降解為低生物毒性或者易生物降解的物質(zhì)，甚至直接礦化為無機(jī)物，從而達(dá)到處理污染物的目的，其過程見圖1，該過程中氧的傳遞通過羥基自由基來實(shí)現(xiàn)。采用不同的陽極材料對(duì)的電催化降解過程進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，使用Ti/RuO2為陽極材料時(shí)，電流效率較低，反應(yīng)傾向于電化學(xué)轉(zhuǎn)化，其最終產(chǎn)物為可生物降解的脂肪酸。
（2）鈦基涂層電極（DSA電極）。
多數(shù)陽極材料都有氧化有機(jī)物的功能，但其處理效果卻有所不同。在電催化氧化過程中，陽極發(fā)生的主要競爭副反應(yīng)是析氧反應(yīng)（對(duì)于含Cl-比較多的污水，也可能是Cl2的析出），因此，催化電極材料的發(fā)展方向就是制備高析氧超電位電極。而DSA（Dimensional-lystableanodes，DSA）電極則可以通過對(duì)材料及涂層結(jié)構(gòu)（如改變涂層、不同氧化物摻雜等方式）提高析氧電位，因而成為目前電催化領(lǐng)域的一類電極。
DSA電極是以金屬鈦?zhàn)鳛榛撞牧希诮?jīng)過粗化處理的鈦表面附著一層具有催化活性的金屬氧化物。常用的金屬氧化物包括IrO2、RuO2、Ta2O5、SnO2、MnO2、PbO2等，由于不同材料的熱膨脹系數(shù)有差別，因此會(huì)采用2種或2種以上氧化物混合涂層或制備中間涂層DSA的方式緩解整體因膨脹所導(dǎo)致的材料開裂情況，進(jìn)而提高電極的耐腐蝕性能，工作壽命相對(duì)長，性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染，并且可以降低析氧電位，具有較高的催化活性。此外，相比BDD電極，DSA電極成本比較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)加工。
DSA電有良好的導(dǎo)電性、耐蝕性及化學(xué)穩(wěn)定性，可通過高電流，并且相比BDD電有成本優(yōu)勢(shì)，在污水處理上得到了比較廣泛的應(yīng)用。但是DSA電極在應(yīng)用中也存在一些缺點(diǎn)，如涂層與基體之間的附著力有限且各種氧化的熱膨脹系數(shù)存在差別，因此，長時(shí)間使用過程中還是存在涂層脫落的問題;其次，DSA電極的催化活性比BDD電極低;由于使用IrO2、RuO2、Ta2O5等稀有金屬，因此涂層的成本也比較高，據(jù)了解，涂層和基材分別占據(jù)電極成本的60%和40%。國內(nèi)外對(duì)DSA電極的研究主要分為三個(gè)方向：基體、中間層和電極表面的修飾。通過引入中間層，在電極表面進(jìn)行修飾，可以提高電極的穩(wěn)定性、電化學(xué)活性等性能。通常，鉑和鈀氧化物、錫銻氧化物、銀、鉛銀合金等是比較有效的中間層。
2.2 陰極材料
在工業(yè)污水處理領(lǐng)域，常見的陰極材料主要是碳材料和不銹鋼。其中，碳材料陰極在電Fenton中有較多的應(yīng)用。目前，電Fenton相比傳統(tǒng)Fen-ton的優(yōu)勢(shì)在于H2O2可以原位產(chǎn)生，不需要外投，而且在陰極作用下建立Fe2+和Fe3+的動(dòng)態(tài)平衡，減少藥劑投加，進(jìn)一步減少鐵泥的產(chǎn)生。電Fenton反應(yīng)的基本原理如下：在酸性條件下，溶解氧被吸附到陰極表面，進(jìn)而發(fā)生二電子反應(yīng)產(chǎn)生H2O2（如式（3）所示），然后與體系中原位產(chǎn)生或外投的Fe2+形成Fenton試劑，進(jìn)而生成·OH。但與此同時(shí)，體系也會(huì)發(fā)生四
以上兩個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的程度跟陰極材料密切相關(guān)，為了保證更高的電流效率，需要盡可能抑制四電子反應(yīng)。在電芬頓體系中，不同的陰極材料均有研究，但是多集中在摻硼金剛石、碳納米管、活性碳纖維、石墨氈、乙炔黑、石墨烯及其相應(yīng)的摻雜改性材料。摻雜既有不同碳基材料的摻雜，如石墨氈中摻雜石墨烯或者碳納米管，也有活性炭纖維中摻雜雜原子（O、N、F、B、S）或者其他金屬氧化物。
