[发明专利]一种非活性电极电化学氧化体系的节能型供电模式

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的节能供电模式，这种供电模式应用在电化学氧化系统中，可以使有机污染物去除过程中提供的电量与所需电量精确匹配，从而达到系统电流效率最大化。

背景技术

典型行业的工业废水，如焦化废水、制药废水、炼油废水、染料和印染废水、纸浆和造纸废水以及塑料工业废水等，都含有生物难降解的有机污染物，并且具有极强的致癌、致畸、致突变的作用，对环境和人体危害极大。传统的生物处理法很难将这些污染物有效去除，因此高级氧化法，如Fenton氧化法、臭氧氧化、湿法氧化、光催化氧化、超临界水氧化以及电化学氧化法等，因对这些污染物良好的处理效果而受到广泛关注。在诸多高级氧化法中，电化学氧化方法因设备简易、反应条件温和、氧化能力强等优点倍受重视。然而，虽然这种方法效果优良，但是电流效率偏低、能耗较大也是长久以来制约电化学法应用的瓶颈问题。为了解决这一问题，我们从电化学氧化的机理入手，分析了电解过程中能量的归趋。

在电化学氧化系统中，电极材料是最关键的影响因素，材料不同，导致电解反应中电流效率和能耗差异巨大。在过去的几十年中，许多电极材料如Pt，IrO₂，RuO₂，SnO₂，PbO₂和掺硼金刚石薄膜电极（Boron-doped Diamond，BDD）等均被广泛的研究。根据以往的研究结论，这些电极材料被划分为活性电极和非活性电极两大类。在水被分解的电势范围内，电解反应的第一步为水分子在电极表面（M）被电解生成羟基自由基：

M+H₂O→M(·OH)+H⁺+e^-    (3)

在活性电极表面，如Pt，IrO₂和RuO₂电极等，羟基自由基和电极材料反应生成高价氧化物，依靠高价氧化物氧化水中污染物分子，这种反应氧化能力较弱，一般很难将有机物完全矿化，有机物在电极表面主要发生化学转化：

M(·OH)→MO+H⁺+e^-    (4)

R+MO→RO+M    (5)

在非活性电极的表面，羟基自由基不会与电极材料进一步反应，而是存在电极表面直接氧化有机物分子：

M(·OH)+R→M+mCO₂+nH₂O+H⁺+e^-    (6)

典型的非活性电极主要有SnO₂，PbO₂和BDD电极等，这些电极的矿化能力较强，往往可以将有机物完全矿化成小分子的物质，在实际中应用较为广泛。除了氧化有机物分子之外，电极表面生成的羟基自由基也会相互作用生成氧气分子析出，这一反应是造成电化学氧化过程中电流效率低的主要原因，并且在传统的供电模式下，随着电解液中污染物浓度的降低，电能的浪费愈加明显（如图1所示）。

鉴于非活性电极优良的氧化能力，本发明中开发的新型供电模式应用于非活性电极电化学氧化系统中，研究其节能降耗的效果。

发明内容

已有研究对BDD电极表面的电流效率进行了理论分析：在高有机物浓度，低电流的条件下，COD呈线性降解，瞬时电流效率（Instantaneous current efficiency,ICE）为100%，表明反应受动力学控制；然而当有机物浓度较低，电流密度较高时，COD呈指数降低，ICE不断降低，反应受传质控制（具体计算分析见表1）。由此可知，电解过程中并非所有的电能均用于有机物的矿化，随着电解后期污染物浓度的降低，很大一部分电能浪费在水的分解中。因此，若能使电解过程中提供的电能与所需电能保持一致，则可有效地降低浪费在水电解中的能耗，对于电流效率的提高和电能消耗的降低极为有益。

表1不同电流密度条件下ICE和COD的关系*

*COD₀：初始化学需氧量(mol O₂m^-3)；V_R：反应体积(m³)；k_m：传质系数(m s^-1)；A:电极面积(m²)；α=i_appl/i⁰_lim；t：时间(s)。