电催化氧化技术课件

电催化技催化技术 （Technology of Electrocatalysis)Technology of Electrocatalysis)第四组：陈良涛，李祎奔，王劲松，陈哲，李鑫，詹宇航1a主主 要要 内内 容容一一.电化学化学二二.电催化的定催化的定义及特点及特点三三.电催化去除催化去除污染物的基本原理染物的基本原理四四.电催化催化电极与极与电极材料的种极材料的种类五五.电催化催化废水水处理反理反应器形式及器形式及应用用六六.电催化技催化技术的的优点、局限性及展望点、局限性及展望2a一一.电 化化 学学l电化学定化学定义：研究：研究电能与化学能之能与化学能之间相互相互转化的学科。化的学科。原原电池：化学能池：化学能转化化为电能能电解池：解池：电能能转化化为化学能化学能 l转化条件：化条件：1.涉及的化学反涉及的化学反应必必须有有电子的子的转移移 氧化氧化还原反原反应。2.化学反化学反应必必须在在电极上极上进行行3a原原原原电电池池池池组组成：成：成：成：原原原原电电池池池池：借助氧化借助氧化借助氧化借助氧化还还原反原反原反原反应应把化学能直接把化学能直接把化学能直接把化学能直接变变成成成成电电能的装置。能的装置。能的装置。能的装置。电极极负极：极：电子流出的一极，子流出的一极，发生氧化反生氧化反应。正极正极：电子流入的一子流入的一极极，发生生还原反原反应。盐桥盐桥中装有中装有饱和的和的KCl溶液和溶液和琼脂制成的胶脂制成的胶冻。铜锌原原电池池（丹尼（丹尼尔电池）池）4a 电 解：解：在外在外电源的作用下被迫源的作用下被迫 发生的氧化生的氧化还原原过程。程。电解池：解池：将将电能能转变为化学能的化学能的 装置。装置。电解解NaOH的的电解池解池阳极：阳极：与正极相与正极相联阴极：阴极：与与负极相极相联（抽走（抽走电子）子）（供（供给电子）子）根据离子迁移的方向，又分根据离子迁移的方向，又分为：阴极：阴极：是阳离子移向的一极是阳离子移向的一极阳极：阳极：是阴离子移向的一极是阴离子移向的一极5a二.电催化的定义及特点2.1定义：在在电场作用下，存在于作用下，存在于电极表面或溶液相中的修极表面或溶液相中的修饰物物能促能促进或抑制在或抑制在电极上极上发生的生的电子子转移反移反应，而，而电极表面极表面或溶液相中的修或溶液相中的修饰物本身并不物本身并不发生生变化的一化的一类化学作用。化学作用。6a2.2 电催化的特点：催化的特点：1.在在常常规的的化化学学催催化化作作用用中中，反反应物物和和催催化化剂之之间的的电子子传递是是在在限限定定区区域域内内进行行的的。因因此此，在在反反应过程程中中，既既不不能能从从外外电路路中中送送入入电子子，也也不不能能从从反反应体体系系导出出电子子或或获得得电流；流；在在电极极催催化化反反应中中有有纯电子子的的转移移。电极极作作为一一种种非非均均相相催催化化剂既既是是反反应场所所，又又是是电子子的的供供受受场所所，即即电催化反催化反应同同时具有催化化学反具有催化化学反应和使和使电子迁移的双重功能。子迁移的双重功能。7a2.在在常常规化化学学催催化化反反应中中，电子子的的转移移过程程无无法法从从外外部部加以控制；加以控制；电催催化化反反应过程程中中可可以以利利用用外外部部回回路路控控制制电流流，使使反反应条条件件、反反应速速度度比比较容容易易控控制制，并并可可以以实现一一些些剧烈烈的的电解和氧化解和氧化-还原反原反应的条件。的条件。电催催化化反反应输出出的的电流流则可可以以用用来来作作为测定定反反应速速度快慢的依据度快慢的依据8a 与与电化学相比化学相比 电催催化化反反应在在电化化学学反反应的的基基础之之上上，主主要要是是在在电极极上上修修饰表表面面材材料料及及化化学学材材料料来来产生生强氧氧化化性性的的活活性性物物种种，从从而而提高其降解有机物的能力；提高其降解有机物的能力；电化化学学反反应只只是是简单电极极上上的的反反应，其其处理理效效率率明明显比比电催化反催化反应低。低。9a电电化学化学化学化学还还原原原原直接直接直接直接还还原原原原间间接接接接还还原原原原电电化学氧化化学氧化化学氧化化学氧化直接氧化直接氧化直接氧化直接氧化间间接氧化接氧化接氧化接氧化电电化学化学化学化学转换转换电电化学燃化学燃化学燃化学燃烧烧三三.电催化去除催化去除污染物的基本原理染物的基本原理电电凝聚作用凝聚作用凝聚作用凝聚作用电电浮浮浮浮选选光光光光电电化学氧化化学氧化化学氧化化学氧化10a直接直接还原：原：污染物直接在阴极上得到染物直接在阴极上得到电子而子而发生生还原。原。基本反基本反应式式为：M2+2e-M。许多多金金属属的的回回收收即即属属于于直直接接还原原过程程，同同时该法法可可使使多多种种含含氯有有机机物物转变成成低低毒毒性性物物质，提提高高产物物的的可可生生物物降降解解性。性。如：如：R-Cl+H+2e-R-H+Cl-。3.1 电化学化学还原原11a 间接接还原原：利利用用电化化学学过程程中中生生成成的的一一些些还原原性性物物质如如Ti3+，V2+和和Cr2+将将污染染物物还原原去去除除，如如二二氧氧化化硫硫的的间接接电化学化学还原可原可转化成化成单质硫：硫：SO2+4Cr2+4H+S+4Cr3+2H2O 12al l直直直直接接接接氧氧氧氧化化化化：污污染染染染物物物物直直直直接接接接在在在在阳阳阳阳极极极极失失失失去去去去电电子子子子而而而而发发生生生生氧氧氧氧化化化化，有有有有机机机机物物物物的直接的直接的直接的直接电电催化氧化分两催化氧化分两催化氧化分两催化氧化分两类进类进行。行。行。行。（1 1）电电化化化化学学学学转转换换即即即即把把把把有有有有毒毒毒毒物物物物质质转转变变为为无无无无毒毒毒毒物物物物质质，或或或或把把把把难难生生生生化化化化的的的的有有有有机机机机物物物物转转化化化化为为易易易易生生生生化化化化的的的的物物物物质质（如如如如芳芳芳芳香香香香物物物物开开开开环环氧氧氧氧化化化化为为脂脂脂脂肪肪肪肪酸），以便酸），以便酸），以便酸），以便进进一步一步一步一步实实施生物施生物施生物施生物处处理；理；理；理；（2 2）电电化学燃化学燃化学燃化学燃烧烧即直接将有机物深度氧化即直接将有机物深度氧化即直接将有机物深度氧化即直接将有机物深度氧化为为COCO2 2。有有有有研研研研究究究究表表表表明明明明，有有有有机机机机物物物物在在在在金金金金属属属属氧氧氧氧化化化化物物物物阳阳阳阳极极极极上上上上的的的的氧氧氧氧化化化化反反反反应应机机机机理理理理和和和和产产物同阳极金属氧化物的价物同阳极金属氧化物的价物同阳极金属氧化物的价物同阳极金属氧化物的价态态和表面上的氧化物种有关。和表面上的氧化物种有关。和表面上的氧化物种有关。和表面上的氧化物种有关。3.2电化学氧化化学氧化13a 在在金金属属氧氧化化物物MOx阳阳极极上上生生成成的的较高高价价金金属属氧氧化化物物MOx+1有利于有机物有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物；性氧化生成含氧化合物；在在MOx阳阳极极上上生生成成的的自自由由基基MOx(OH)有有利利于于有有机机物物氧氧化化燃燃烧生成生成CO2。具具体体反反应机机理理如如下下：在在氧氧析析出出反反应的的电位位区区，金金属属氧氧化化物物表表面面可可能能形形成成高高价价态氧氧化化物物，因因此此在在阳阳极极上上存存在在两两种种状状态的的活活性性氧，即吸附的氧，即吸附的氢氧自由基和晶格中高价氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧。氧化物的氧。14a阳极表面氧化阳极表面氧化过程分两程分两阶段段进行行 首先溶液中的首先溶液中的H2O或或OH在阳极上形成吸附的在阳极上形成吸附的氢氧自由基氧自由基:MOx+H2O MOx(OH)+H+e-然然后后吸吸附附的的氢氧氧自自由由基基中中的的氧氧转移移给金金属属氧氧化化物物晶晶格格，形成高价氧化物：形成高价氧化物：MOx(OH)MOx+1+H+e-15a当溶液中不存在有机物当溶液中不存在有机物当溶液中不存在有机物当溶液中不存在有机物时时，两种状，两种状，两种状，两种状态态的活性氧的活性氧的活性氧的活性氧发发生氧析出生氧析出生氧析出生氧析出反反反反应应：MOMOx x(OH)O(OH)O2 2+MO+MOx x+H+H+e+e-MOMOx+1x+1 MO MOx x+O+O2 2 当溶液中存在可氧化的有机物当溶液中存在可氧化的有机物当溶液中存在可氧化的有机物当溶液中存在可氧化的有机物R R时时，反，反，反，反应应如下如下如下如下:R+MOR+MOx x(OH)CO(OH)CO2 2+MO+MOx x+H+H+e+e-R+MO R+MOx+1x+1 MO MOx x+RO+RO 在含在含在含在含氰氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的化物、含酚、含醇、含氮有机染料的化物、含酚、含醇、含氮有机染料的化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废废水水水水处处理中，理中，理中，理中，直接直接直接直接电电化学氧化化学氧化化学氧化化学氧化发挥发挥了非常有效的作用。了非常有效的作用。了非常有效的作用。了非常有效的作用。16a间接接氧氧化化：通通过阳阳极极反反应生生成成具具有有强氧氧化化作作用用的的中中间产物物或或发生生阳阳极极反反应之之外外的的中中间反反应生生成成的的中中间物物质（OH、O2、HO2等等自自由由基基），氧氧化化被被处理理污染染物物，最最终达到氧化降解达到氧化降解污染物的目的。染物的目的。17a 为了了得得到到高高的的转化化效效率率，电催催化化氧氧化化还原原作作用用过程程必必须满足以下要求：足以下要求：（1）氧氧化化还原原剂的的生生成成电位位必必须不不靠靠近近析析氢或或析析氧氧反反应的的电位；位；（2）氧化氧化还原原剂的的产生速度足生速度足够大；大；（3）氧氧化化还原原剂与与污染染物物的的反反应速速度度比比其其他他竞争争反反应的的大；大；（4）其他物其他物质（或（或污染物）在染物）在电极上的吸附小极上的吸附小。18a 在在电解解过程程当当中中，如如果果采采用用铝质或或铁质的的可可溶溶性性阳阳极极，通通以以直直流流电后后，阳阳极极材材料料会会在在电解解过程程当当中中发生生溶溶解解，形形成成金金属属阳阳离离子子Fe3+、Al3+等等，与与溶溶液液中中的的粒粒子子形形成成具具有有絮絮凝凝作作用用的的胶胶体体物物质，这些些物物质可可促促使使水水中中的的胶胶态杂质絮絮凝凝沉沉淀淀，从从而而实现污染物的去出。染物的去出。3.3 电凝聚作用凝聚作用19a在在对废水水进行行电化化学学处理理过程程中中，通通过电极极反反应在在阴阴极极和和阳阳极极上上分分别析析出出H2和和O2，产生生直直径径很很小小（约815m）、分分散散度度很很高高的的气气泡泡，作作为载体体吸吸附附系系统中中的的胶胶体体微微粒粒及及悬浮浮固固体体上上浮浮，在在水水面面形形成成泡泡漠漠层，用用机机械械方方法法加加以以去去除除，从而达到分离从而达到分离污染物的目的。染物的目的。可可通通过调节电流流、电极极材材料料、pH值和和温温度度可可改改变产气气量量及及气泡大小，气泡大小，满足不同需要。足不同需要。3.4 电浮浮选20a在在电场作作用用下下，以以光光催催化化剂作作为电化化学学催催化化电极极，使使阳阳极极发生生电催催化化作作用用对阳阳极极槽槽中中的的有有机机物物进行行催催化化降降解解的的同同时，并并在在紫紫外外光光作作用用下下，降降解解污染染物物，从从而而大大大大提提高高了了对难降解有机物的催化降解效率。降解有机物的催化降解效率。3.5 光光电化学氧化化学氧化21a四四.电催催化化电极极与与电极极材材料料的的种种类 1.1.催化催化电极的种极的种类 主要分主要分为两大两大类：二：二维电极；三极；三维电极；极；（流化床（流化床电极）极）22aa.二二维电催化催化电极极 应用最广泛的是用最广泛的是DSA类电极。极。DSA电极极以以特特殊殊工工艺在在金金属属基基体体（如如Ti，Zr，Ta，Nb等等）上上沉沉积一一层微微米米或或亚微微米米级的的金金属属氧氧化化物物薄薄膜膜（如如SnO2，IrO2，RuO2，PbO2等）而制等）而制备的的稳定定电极。极。DSA类电极极通通过改改进材材料料及及涂涂层结构构提提供供了了较高高的的析析氧氧过电位，防止阳极氧气的析出，提高其位，防止阳极氧气的析出，提高其电流效率。流效率。23a优优点点点点：由由由由于于于于DSADSA类类电电极极极极的的的的化化化化学学学学和和和和电电化化化化学学学学性性性性质质能能能能够够随随随随着着着着氧氧氧氧化化化化物物物物膜膜膜膜的的的的材材材材料料料料组组成成成成和和和和制制制制备备方方方方法法法法而而而而改改改改变变，因因因因而而而而能能能能够够获获得得得得良良良良好的好的好的好的稳稳定性和催化活性。定性和催化活性。定性和催化活性。定性和催化活性。缺缺缺缺点点点点：有有有有效效效效电电极极极极面面面面积积很很很很小小小小，传传质质差差差差，导导致致致致单单位位位位时时空空空空处处理理理理效率效率效率效率较较低。低。低。低。24ab.三三维电催化催化电极极 定定义：在在原原有有的的二二维电极极之之间装装填填粒粒状状或或其其他他屑屑状状工工作作电极极材材料料，致致使使装装填填电极极表表面面带电，在在工工作作电极极材材料料表表面面发生生电化学反化学反应。优点点：面面积比比较大大且且能能以以较低低的的电流流密密度度提提供供较大大的的电流流强度度；粒粒子子之之间间距距小小，物物质传质极极大大改改善善；单位位时空空产率率和和电流流效效率率均均极极大大提提高高，尤尤其其对低低电导率率废水水，其其优势更是明更是明显。25a（2）电极材料的种极材料的种类 a.金属金属电极极 金金属属电极极是是指指以以金金属属作作为电极极反反应界界面面的的裸裸露露电极极，除除碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属外外，大大多多数数金金属属作作为电化化学学电极极均均有很多研究有很多研究报道。道。b.碳素碳素电极极 由由元元素素碳碳组成成的的电极极的的总称称。可可分分为天天然然石石墨墨电极极、人造石墨人造石墨电极、碳极、碳电极以及特种碳素极以及特种碳素电极等四极等四类。26ac.金属氧化物金属氧化物电极极 导电金金属属氧氧化化物物电极极具具有有重重要要的的电催催化化特特性性，这类电极极大多大多为半半导体材料。体材料。d.非金属化合物非金属化合物电极极 一一般般所所说的的非非金金属属电极极是是指指硼硼化化物物、碳碳化化物物、氮氮化化物物、硅硅化化物物、氯化化物物等等。非非金金属属材材料料作作为电极极材材料料，最最大大的的优势在在于于这类材材料料的的特特殊殊物物理理性性质，如如高高熔熔点点、高高硬硬度度、高高耐磨性、良好的耐腐耐磨性、良好的耐腐蚀性以及性以及类似金属的性似金属的性质等。等。27a2.催化催化电极的性能极的性能 电极极在在电化化学学处理理技技术中中处于于“心心脏”的的地地位位，电极极的的电催催化化特特性性是是电催催化化技技术的的核核心心内内容容，即即希希望望电极极对目目标有机物表有机物表现出高的反出高的反应速率，并且有好的速率，并且有好的选择性。性。催催化化电极极的的功功能能：既既能能导电，又又能能对反反应物物进行行活活化化，提高提高电子的子的转移速率，移速率，对电化学反化学反应进行某种促行某种促进和和选择。28a 良好的良好的电催化催化电极极应该具具备下列几下列几项性能：性能：（1 1）良良好好的的导电性性：至至少少与与导电材材料料（例例如如石石墨墨）结合合后后能能为电子子交交换反反应提提供供不不引引起起严重重电压降降的的电子子通通道，即道，即电极材料的极材料的电阻不能太大；阻不能太大；（2 2）高高的的催催化化活活性性：即即能能够实现所所需需要要的的催催化化反反应，抑制不需要或有害的副反抑制不需要或有害的副反应；29a（3）良良好好的的稳定定性性：能能够耐耐受受杂质及及中中间产物物的的作作用用而而不不致致较快快地地被被污染染（或或中中毒毒）而而失失活活，并并且且在在实现催催化化反反应的的电势范范围内内催催化化表表面面不不至至于于因因电化化学学反反应而而过早早失失去去催化活性；催化活性；（4）良好的机械物理性）良好的机械物理性质：即表面即表面层不脱落、不溶解。不脱落、不溶解。电极极材材料料的的性性质是是决决定定电极极催催化化特特性性的的关关键因因素素。电极极材材料料的的不不同同可可以以使使反反应速速度度发生生数数量量级的的变化化。改改变电极极材材料料的的性性质，既既可可以以通通过变换电极极基基体体材材料料来来实现，也也可可以以用用有有电催催化化性性能能的的涂涂层对电极极表表面面进行行修修饰改改性性而而实现。电极涂极涂层的制的制备工工艺条件条件对其催化性能有很大的影响。其催化性能有很大的影响。30a3.电催化催化电极的极的组成及成及结构构 催催化化剂之之所所以以能能改改变电极极反反应的的速速率率，是是由由于于催催化化剂与与反反应物物之之间存存在在的的某某种种相相互互作作用用改改变了了反反应进行行的的途途径径，降降低低了了反反应的的活活化化能能。在在电催催化化过程程中中，催催化化反反应是是发生生在在催催化化电极极/电解解液液的的界界面面，即即反反应物物分分子子必必须与与电催催化化电极极发生生相相互互作作用用，而而相相互互作作用用的的强弱弱则主主要要决决定定于于催催化化电极表面的极表面的结构和构和组成。成。31a（1）表面材料）表面材料 电极极对催催化化剂的的要要求求满足足：反反应表表面面积要要大大；有有较好好的的导电能能力力；吸吸附附选择性性强；在在使使用用环境境下下的的长期期稳定定性性；机械性能好；机械性能好；资源丰富且成本低；源丰富且成本低；环境友好。境友好。目目前前已已知知电催催化化电极极表表面面材材料料主主要要涉涉及及过渡渡金金属属及及半半导体化合物。体化合物。32a a.过渡渡金金属属：由由于于过渡渡金金属属的的原原子子结构构中中有有空空余余的的d轨道道和和未未成成对的的d电子子，通通过含含过渡渡金金属属的的催催化化剂与与反反应物物分分子子的的电子子接接触触，这些些催催化化剂空空余余d轨道道上上将将形形成成各各种种特特征征的的吸吸附附键达达到到分分子子活活化化的的目目的的，从从而而降降低低了了复复杂反反应的的活活化化能能，达达到到电催催化化目目的的，因因此此，过渡渡金金属属及及其其一一些些化化合合物物本本身身具具有有较好的催化活性好的催化活性。b.半半导体体化化合合物物：由由于于半半导体体的的特特殊殊能能带结构构，其其电极极/溶溶液液界界面面具具有有一一些些不不同同于于金金属属电极极的的特特殊殊性性质，由由于于产物物不不易易被被吸吸附附在在电极极表表面面，本本身身电极极表表面面的的氧氧化化速速率率高高于于一一般般电极极，因因此此在在电催催化化问题的的研研究究中中，半半导体体化化合合物物占占有有特特殊殊重重要要的的位置。位置。33a（2）基基础电极极 基基础电极极：也也叫叫电极极基基质，是是指指具具有有一一定定强度度、能能够承承载催催化化层的一的一类物物质。一般采用。一般采用贵金属金属电极和碳极和碳电极。极。基基础电极无极无电催化活性，只承担着作催化活性，只承担着作为电子子载体的功能。体的功能。高的机械高的机械强度；度；良好的良好的导电性；性；与与电催化催化组成材料有一定的成材料有一定的亲和性。和性。34a（3）载体体 基基础电极极与与电催催化化涂涂层有有时亲和和力力不不够，致致使使电催催化化涂涂层易脱落，易脱落，严重影响重影响电极寿命。极寿命。电催催化化电极极的的载体体：一一类起起到到将将催催化化物物质固固定定在在电极极表表面面，且且维持持一一定定强度度的的一一类物物质，对电极极的的催催化化性性能能也也有有很很大大影影响。响。常用的常用的载体多采用体多采用聚合物膜和一些无机物膜聚合物膜和一些无机物膜。载体体必必须具具备良良好好的的导电性性及及抗抗电解解液液腐腐蚀的的性性能能，其其作作用用可可分分为两两种种情情况况：支支持持和和催催化化，相相应地地可可以以将将载体体分分为两两种情况种情况：35a （1）支支持持性性载体体：仅作作为一一种种惰惰性性支支撑撑物物，只只参参与与导电过程，程，对催化催化过程不做任何程不做任何贡献；献；催化物催化物质负载条件不同只会引起活性条件不同只会引起活性组分分散度的分分散度的变化化 （2）催催化化性性载体体：载体体与与负载物物存存在在某某种种相相互互作作用用，这种种相相互互作作用用的的存存在在修修饰了了负载物物质的的电子子状状态，其其结果果可可能能会会显著著改改变负载物物质的的活活性性和和选择性性。同同时，载体体与与负载物物之之间的的结合合程程度度是是影影响响电催催化化电极极性性能能的的重重要要因因素素（影影响响电极极的机械的机械强度和度和稳定性，影响到定性，影响到电极的使用寿命）。极的使用寿命）。例：例：Pt-WO3，Ti-SnO2-PbO236a（4）电极表面结构 电催催化化电极极的的表表面面微微观结构构和和状状态是是影影响响电催催化化性性能能的的重重要要因因素之一，而素之一，而电极的制极的制备方法直接影响到方法直接影响到电极的表面极的表面结构。构。目目前前电催催化化电极极的的主主要要制制备方方法法有有热解解喷涂涂法法、浸浸渍法法（或或涂涂刷刷法法）、物物理理气气相相沉沉积法法（PVD）、化化学学气气相相沉沉积法法（CVD）、电沉沉积法、法、电化学阳极氧化法，以及溶胶凝胶法等。化学阳极氧化法，以及溶胶凝胶法等。为了了增增大大单位位体体积的的有有效效反反应面面积，改改善善传质，用用于于三三维电极极的各种新材料相的各种新材料相继问世，如金属碳复合世，如金属碳复合电极，碳极，碳纳米管材料等。米管材料等。总之之，无无论是是提提高高催催化化活活性性还是是提提高高孔孔积率率、改改善善传质，改改进电极极表表面面微微观结构构都都是是一一个个重重要要手手段段，因因而而电极极的的制制备工工艺绝对是非常关是非常关键的一个的一个环节。37a4.电解解质 支支持持电解解质：加加入入到到有有机机废水水的的电化化学学处理理体体系系中中，可可以以增增强溶液溶液导电性，使有机物的降解反性，使有机物的降解反应顺利利发生的生的电解解质盐。基本要求：基本要求：（1）当量）当量电导率大：率大：降低降低电阻，减少能耗；阻，减少能耗；（2）性性质稳定定：不不参参与与电化化学学反反应，也也不不与与有有机机物物反反应，避免能量避免能量损耗，降低耗，降低电流效率；流效率；（3）无毒无害，且易于去除）无毒无害，且易于去除；（4）不不在在电极极表表面面发生生特特性性吸吸附附：避避免免降降低低电极极的的有有效效反反应面面积。38a五五.电催化催化废水水处理反理反应器形式及器形式及应用用1.电催化废水处理反应器形式2.电催化技术在废水处理中的应用3.影响电催化氧化效率的因素39a1.电催化催化废水水处理反理反应器形式器形式l电化学反应器种类繁多、结构复杂、不同的应用领域，所应用的反应器结构和形式均不完全一样，其中，反应器结构和电极结构是影响电化学应用中电流效率的重要因素之一。l电化学反应器分为二维反应器和三维反应器，如下表：40a41a2.电催化技催化技术在在废水水处理中的理中的应用用42a国内状况：国内状况：电化学水化学水处理技理技术的研究的研究应用和国外相比比用和国外相比比较分散、不分散、不系系统。（1）重金属的去除和含）重金属的去除和含氰废水的水的处理；理；（2）染料工）染料工业废水；水；（3）工）工业废水；水；（4）啤酒厂）啤酒厂废水水43a国外状况：国外状况：在在国国外外，用用电化化学学水水处理理技技术处理理有有机机废水水的的研研究究非非常常多。多。（1）制革）制革废水；水；（2）印染）印染废水；水；（3）甲）甲醛废水水（4）垃圾渗）垃圾渗滤液液电化化学学过程程可可以以有有效效地地破破坏坏大大分分子子有有机机物物，并并降降低低其其毒毒性，性，处理后的理后的废水可生化降解性提高。水可生化降解性提高。44a3.影响影响电催化效率的因素催化效率的因素 影影响响电催催化化效效率率的的因因素素主主要要包包括括四四个个方方面面：电极极材材料料、电解解质溶溶液液、废水水的的理理化化性性质和和工工艺因因素素（电化化学学反反应器器的的结构构、电流流密密度度、通通电量等）。量等）。（1）电极材料极材料 电极极材材料料选择的的好好坏坏，直直接接影影响响有有机机物物降降解解效效率率的的高高低低（高高电势）尽量避免尽量避免竞争副反争副反应（析氧反（析氧反应）不同的不同的电极材料可引起极材料可引起电化学反化学反应速度速度发生数量生数量级上的上的变化化 研制高研制高电催化活性的催化活性的电极材料极材料45a 为了了提提高高电极极的的催催化化活活性性，一一般般都都对电极极进行行修修饰，其其方方法法有有：a.在在电解解液液中中添添加加有有催催化化作作用用的的物物质；b.将将电极极改改为活活性性高高的的材材料料；c.对电极极材材料料表表面面进行修行修饰。对电极极进行行掺杂是改是改变电极材料极材料组成及其性能的常用的一成及其性能的常用的一类方法。方法。例：例：掺杂Sb的的SnO2电极的极的导电能力及催化氧化性能都有了很大提高。能力及催化氧化性能都有了很大提高。掺杂的的SnO2电极极对析氧反析氧反应具有极高的具有极高的过电位，位，较高的高的电流效率流效率 卤素素和和有有机机卤代代物物有有较强的的阻阻滞滞作作用用，减减小小了了处理理过程程中中形形成成有有毒毒卤代化合物的可能性。代化合物的可能性。46a（2）电解解质溶液溶液 a.电解解质溶液的溶液的浓度度 溶液溶液浓度太低，度太低，电流小，降解速率低流小，降解速率低 随随着着电解解质溶溶液液浓度度的的增增加加，溶溶液液的的导电能能力力增增强，电压效效率率提提高高。但但电解解质浓度度达达到到一一定定浓度度后后，电压效效率的提高率的提高趋于平于平缓，若再加大投入量会增加，若再加大投入量会增加处理理费用用47a b.电解解质的种的种类 Na2S04：惰惰性性电解解质，电解解过程程中中不不参参与与反反应，只只起起导电作作用用，电解解效率的高低效率的高低仅与其与其浓度有关；度有关；NaCl：在在电解解过程程中中参参与与电极极反反应，Cl-在在阳阳极极氧氧化化，进而而转变成成HClO，后后者者是是一一种种强氧氧化化剂，不不但但可可以以直直接接氧氧化化有有机机物物，而而且且还能能阻阻止止有机物（或中有机物（或中间产物）在物）在电极表面的吸附（使极表面的吸附（使电极活性降低）。极活性降低）。缺缺点点：Cl-的的加加入入也也可可以以引引起起一一些些副副反反应，如如生生成成的的游游离离氯或或电极极上上吸吸附附的的单原原子子氯可可以以与与废水水中中溶溶解解的的有有机机物物或或其其氧氧化化的的中中间产物物反反应，生生成成有有毒毒且且更更难降降解解的的有有机机氯化化物物；Cl-在在电极极上上的的吸吸附附影影响响有有机机物物在在电极极上上的吸附氧化；的吸附氧化；Cl2的的产生也使生也使电流效率有所降低。流效率有所降低。48a（3）废水的理化性水的理化性质 同同一一电极极对不不同同有有机机物物表表现出出不不同同的的电催催化化氧氧化化效效率；率；废水水体体系系的的pH值常常常常会会影影响响电极极的的氧氧化化效效率率，而而这种种影影响响不不仅与与电极极的的组成成有有关关，也也与与被被氧氧化化物物质的的种种类有关；有关；添添加加支支持持电解解质（如如NaCI、Na2S04）增增加加废水水的的电导率，可减少率，可减少电能消耗，提高能消耗，提高处理效率。理效率。49a（4）工）工艺因素因素 反反应器：二器：二维反反应器、三器、三维反反应器器 电流密度流密度 电解解时间 溶液溶液传质 不不同同的的有有机机污染染物物降降解解所所需需的的各各条条件件的的最最佳佳指指标是是不不同同的的，有有必必要要深深入入研研究究有有机机物物在在电极极上上的的氧氧化化历程程，开开发高高效效的的电极极材材料料，确确定定最最佳佳的的降降解解条条件件，提提高高电解解效效率率，降降低低水水处理理费用。用。50a六六.电催化技催化技术的的优点、局限性及展望点、局限性及展望1.优点点（1）电子子转移移只只在在电极极及及废水水组分分之之间进行行，不不需需要要另另外外添添加加氧氧化化还原原试剂，同同时也也避避免免了了由由另另外外添添加加药剂而而引引起的二次起的二次污染染问题；（2）可可以以通通过改改变外外加加电流流、电压，随随时间调节反反应条条件，可控制性件，可控制性较强；（3）反反应过程程中中可可能能产生生的的自自由由基基可可以以无无选择地地直直接接与与废水水中中的的有有机机污染染物物反反应，可可将将其其降降解解为CO2、H2O和和简单低分子有机物，没有或很少低分子有机物，没有或很少产生二次生二次污染；染；51a（4）能能量量效效率率高高，反反应条条件件较温温和和，电化化学学过程程一一般般在在常温常常温常压下即可下即可进行；行；（5）反反应器器设备及及其其操操作作一一般般比比较简单，如如果果设计合合理理，费用并不昂用并不昂贵；（6）当排）当排污规模模较小小时，可以，可以进行就地行就地处理；理；（7）当当废水水中中含含有有金金属属离离子子时，阴阴、阳阳两两极极可可同同时起起作作用用（阴阴极极还原原金金属属离离子子，阳阳极极氧氧化化有有机机物物），使使处理理效效率率提提高高，同同时回回收收再再利利用用有有价价值的的化化学学品品或或金金属属，避避免免了了二二次次污染；染；52a（8）兼有吸附、絮凝、）兼有吸附、絮凝、杀菌作用；菌作用；（9）作作为一一种种清清洁工工艺，设备占占地地面面积小小，特特别适适合合于于人口人口拥挤的城市中的城市中污水的水的处理；理；（10）既既可可以以单独独处理理，又又可可以以与与其其他他处理理方方法法相相结合合，例例如如作作为前前处理理，可可以以将将难降降解解有有机机物物或或生生物物毒毒性性污染染物物转化化为可降解物可降解物质，从而提高，从而提高废水的可生物降解性。水的可生物降解性。53a2.局限性（1）电解解法法处理理有有机机污染染物物的的机机理理探探讨还很很不不充充分分，不不能能对电极极的的选择、工工艺的的设计、工工艺参参数数的的确确立立起起到到具具体体的的理理论指指导作用；作用；（2）电流流效效率率仍仍然然很很低低，经济上上不不合合理理。现在在研研究究的的电极极价价格格偏偏高高（主主要要指指各各种种贵金金属属电极极或或钛基基电极极），处理理过程程耗耗电量量很很大大，即即实用用化化的的电极极材材料料不不多多，且且寿寿命命一一般般都都不不长，因因此此处理理的的成成本本比比较高高，不不适适合合大大规模模推推广广，因因此此，制制备出出高高效效的的复合型复合型电极是将其工极是将其工业化化应用的前提；用的前提；54a（3）三三维电极极的的引引入入虽然然解解决决了了传质问题，但但又又引引起起了了床床内内电流流和和电压的的分分布布问题，虽然然有有些些理理论模模型型与与实验测试取取得得了了一一致致，但但对指指导实际应用用来来说还是是不不够的的；再再者者，三三维电极极的的电极极堵堵塞塞也也是是急急需需解解决决的的问题之之一一，设计出出高高效效合合理理的的的的反反应器器，也也是是将将其其工工业化化推推广广应用用所必所必须解决的解决的问题。55a3.展望（1）应用前景用前景a.在在电解解过程程中中产生生强氧氧化化性性的的物物质，使使有有机机污染染物物均均相相或异相地被或异相地被彻底氧化降解成二氧化碳和水；底氧化降解成二氧化碳和水；b.把把生生物物难降降解解的的有有机机物物通通过电化化学学方方法法转化化为易易生生物物降降解解的的有有机机小小分分子子或或把把有有毒毒有有机机物物转变成成无无毒毒有有机机物物，主主要要是是通通过电解解使使环状状化化合合物物开开环，生生成成易易生生物物降降解解的的脂脂肪肪类化合物化合物。56a（2）研究方向（目）研究方向（目标：工：工业化化应用）用）a.研研制制新新型型电极极材材料料，以以提提高高电流流效效率率和和催催化化活活性性，实现有机有机污染物低成本去除；染物低成本去除；b.深深入入研研究究电化化学学氧氧化化机机理理，以以便便针对特特定定污染染物物和和处理要求理要求设计制造特性制造特性电极；极；c.改改进工工艺条条件件，以以减减少少能能量量消消耗耗，降降低低运运行行成成本本，提提高高处理效率；理效率；d.提提高高智智能能化化水水平平，以以突突出出电化化学学方方法法易易于于控控制制的的优点点，稳定定处理效果，理效果，实现自自动化运行。化运行。57aThanks 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