【《三维电极法在水处理中的应用研究国内外文献综述》3700字】

三维电极法在水处理中的应用研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1441三维电极法在水处理中的应用研究国内外文献综述 1255481.1三维电极法简介 1258121.2三维电极的分类 2154411.3复极性三维电极工作原理 4242081.4影响三维电极催化效果的因素 652171.5三维电极的研究现状 71.1三维电极法简介常规的电化学反应一般采用的是二维电极，其反应主要依靠阴极和阳极，反应的有效面积少，可提供的活性位点不足，因此处理量小，为此三维电极法应运而生。所谓三维电极就是将颗粒状或碎片状的材料（活性炭、陶瓷、分子筛、高岭土、γ-Al2O3等）填充在传统的二维电极中的两块极板之间，在外加电场的作用下，所填充的粒子电极被极化成一个个的微小电极，带电的粒子电极成为了反应的第三极。因此，被极化的粒子电极可以发生电化学反应，进一步增大了反应的比表面积，提高了反应的空间利用率，相比二维电极提供了更多的反应位点，可以产生更多的活性物质，如·OH，从而提高了污染物的去除效率[67]。此外，粒子电极的引入还缩短了污染物与电极之间的距离，提高了传质效率。图1-5[68]展示了三维电极中发生的电化学过程。图1-5三维电极的反应过程Fig.1-5Reactionmechanismofthree-dimensionalelectrodeprocess1.2三维电极的分类三维电极相较于传统二维电极较为复杂，因此分类方法有许多种[69]。三维电极按照粒子的极性不同可分为单极性三维电极和复极性三维电极两种；按照粒子电极的填充方式可分为固定式（填充床电极）和流动式（流化床电极）两种。（1）单极性和复极性电极单极性粒子电极通常采用低阻抗的电极，分别填充在阳极和阴极两处，并与主电极接触，主电极之间用隔膜分开。在外部电场的作用下，阳极和阴极处的粒子电极会带上电荷，也因此延伸了主电极的表面积，提高了传质效果，促进了污染物的降解。单极性电极反应器如图1-6所示。相反，复极性粒子电极采用的是高阻抗的粒子，通常被填充在阴极和阳极两个主电极之间。其工作原理是当向主电极施加一定的电压时，溶液中的电荷会分别向阴阳两极定向移动，粒子电极两端也因此产生电势差，一端带正电，一端带负电，因此每个粒子电极可被看作是一个表面均会发生氧化还原反应的微小的电解池，从而增大了反应的面积，进一步提供了更多可以产生活性物质的活性位点，极大的提高了污染物的去除效率。复极性电极反应器如图1-7所示。图1-6单极性三维电极反应器Fig.1-6Unipolar3Delectrodereactor图1-7复极性三维电极反应器Fig.1-7Bipolar3Delectrodereactor（2）固定式和流动式电极固定式电极是两个主电极之间填充保持稳定、呈静止状态的粒子电极，它们之间不会发生移动，溶而液处于流动状态，为了促进传质，通常需要对溶液进行搅拌，处理效果相对稳定。固定式三维电极反应器见图1-8。图1-8固定床三维电极反应器Fig.1-8Fixedbed3Delectrodereactor流动式电极是将粒子电极放置在两个极板之间，通过曝气的方式使粒子电极悬浮在溶液中，处于移动状态。但粒子电极之间接触不紧凑，电势分布不均匀，同时粒子在移动过程中会产生碰撞，粒子电极会造成磨损。流动式三维电极反应器见图1-9.图1-9流动床三维电极反应器Fig.1-9Fluidizedbed3Delectrodereactor1.3复极性三维电极工作原理三维电极是在二维电极的基础上发展起来的一种水处理工艺，其降解水中有机污染物的过程主要是通过“吸附-降解-脱附”不断循环完成的。目前常见的粒子电极多为多孔材料，具有较大的比表面积和较高的孔隙率，因此可以吸附一定量的污染物，而当施加一定的电压后，粒子电极会被极化，并在两端带上相反的电荷，因此可以通过产生较强的电吸附作用来吸附水中的有机污染物[70]。此外，多孔的粒子电极还可将污染物吸附到内部孔道中，可以促进反应的传质速率。粒子电极在电压作用下，形成一个个的微型电极，电极表面会产生强氧化性的物质，如H2O2和·OH，这些物质能够将水中的污染物逐步降解成小分子物质或将其矿化为CO2和H2O，随后粒子电极和主电极会继续吸附降解污染物，从而逐渐将水中的污染物去除，净化水质。当复极性三维电极工作时，反应体系内的电流以旁路电流、反应电流和短路电流[71]三种形式存在，如图1-10所示：（1）反应电流：电流首先经过溶液，随后流经溶液的电流再流进粒子电极一端，而后经过粒子电极内部，再从粒子电极另一端流进溶液。在此过程中电流经过“溶液-粒子电极-溶液”，最终到达阴极。（2）旁路电流：在外界施加电压后，电流不经过粒子电极，反而是在反应液中直接从阳极到达阴极，此过程不涉及到污染物的降解，因此会造成能量的浪费。（3）短路电流：在这个过程中，由于粒子之间的相互接触，电流由阳极流出后，通过填充在反应器中的粒子电极相互传递到达阴极。在此过程中，粒子电极可以看作一根导线，仅起到了传递电子的作用，因此不涉及污染物的降解。因此，为了提高反应过程中电流的利用率，需要增大电催化反应过程中的反应电流，降低短路电流和旁路电流。研究发现，通过选用高阻抗的粒子电极，可以有效的降低短路电流；增大反应电流可以通过提高反应过程中粒子电极的数量来实现；而降低旁路电流和短路电流则可以通过将绝缘粒子与粒子电极充分混合填充在反应器中来实现[72]。图1-10复极性三维电极反应器内电流分布示意图Fig.1-10Schematicdiagramofcurrentdistributioninbipolarthree-dimensionalelectrodereactor1.4影响三维电极催化效果的因素（1）电压/电流电压/电流是电催化体系中最重要的控制参数，他不仅会影响电催化过程中污染物的去除效果，还会影响粒子电极的极化程度[73]。当电压/电流较小时，粒子电极将不会被极化成微电极，只有当电压/电流达到一定程度时，粒子电极才会被极化，从而促进污染物的降解。当电压/电流的增大时，反应体系中的电子传递速率提高，自由基的生成速率和生成量也会随之得到提升，从而促进污染物的降解[74,75]。但是当电压/电流增大到一定程度时，反应体系中电解水的副反应也会加剧，同时会产生大量的热量，造成能量的浪费，因此要优化电压/电流，以平衡污染物的去除率和能耗之间的关系。（2）溶液pH值溶液的初始pH值也是十分重要的参数。pH值可以改变有机物在溶液中的存在状态，同时还会影响一些反应的氧化还原电位。当溶液为酸性时，反应过程中的析氧副反应会被抑制，而当溶液为碱性时，析氧电位降低，析氧副反应加重。同时碱性条件下会产生碳酸盐和碳酸氢盐，这些物质可以和羟基自由基发生反应，导致反应体系中缺少足够的自由基去降解污染物，因此会抑制污染物的降解。当溶液的酸性过强时，还会对电极造成损害，影响电极的使用寿命，因此需要研究pH对反应的影响。（3）电导率电导率是影响电催化效果的重要因素。当溶液的电导率较小时，溶液的导电性差，电子传递慢，影响了自由基的生成速率，污染物降解缓慢。当溶液的电导率增大时，溶液的导电性增强，电子传递速率变快，自由基生成速率提升，单位时间内自由基的生成量也增多，促进了污染物的氧化，还会降低反映的能耗。但是当电导率过大时，也会加剧副反应的发生，降低污染物的去除效率。（4）粒子电极投加量粒子电极的用量多少可以影响污染物的去除效果。当粒子电极的投加量不足时，在电催化反应过程中难以产生足够的自由基，有机污染物的降解受阻，去除率下降。因此，在反应过程中，需要提供足够的粒子电极，才能保证污染物的去除效果。但是过多的粒子电极会导致粒子之间接触密集，从而产生短路电流，因此必须要控制粒子电极的投加量。（5）污染物初始浓度通常来说，粒子电极降解污染物的负荷会随着溶液中初始污染物浓度的提高而增大，从而导致污染物的去除效率会有所下降[76,77]，因此需要研究三维电极反应体系最适宜降解污染物的浓度。1.5三维电极的研究现状三维电极自上世纪60年代末发展至今，已有几十年的历史。鉴于三维电极的高电流效率、高催化活性的特点，三维电极法已被广泛应用于处理各种污废水。Sun等人[78]在500℃，煅烧时间为3h的条件下，成功制备了Ti-Sn-Sb/γ-Al2O3粒子电极，用以去除水中的土霉素。结果显示，当电导率为6ms/cm，初始pH值为6，反应过程中Ti-Sn-Sb/γ-Al2O3粒子电极用量为25g的条件下，降解土霉素初始浓度为100mg/L的废水，在120min的时间内，土霉素的去除率达到了91.9%，TOC的去除率达到了41.4%。Zhang等人[79]使用负载金属钴的粉末活性炭，制成了GAC-Co粒子电极，在三维电催化反应体系中，GAC-Co电极对腐殖酸的降解表现出较高的催化活性，在该体系中，COD的去除率为95.3%。Zhang等人[80]成功制备了Fe/Cu高岭土颗粒电极，用以处理含罗丹明B（RhB）废水，在去除RhB的最佳条件为粒子电极最佳用量30g/L，施加电压10V，曝气量0.8L/min，初始pH=3时。RhB在经过60min的催化降解后，其去除率高达95%，TOC去除率接近60%，实验结果证明该颗粒电极能够有效的去除染料废水。通过自由基猝灭实验，证明羟基自由基在RhB的去除过程中起着重要作用。Zhang等人还通过循环试验研究了Fe/Cu高岭土粒子电极的稳定性，在经过五次循环试验后，RhB的去除率略微降低，可能是由于Fe2+和Cu2+的溶出，但仍然可以达到80%，因此Fe/Cu高岭土粒子电极具有极高的稳定性。Chen等人[81]用锰渣制备的颗粒电极去除水中的水杨酸（SA），结果显示在最佳条件下，SA的去除率达到了76.9%，并推导出SA可能的降解途径，采用XRD等表征，发现主要氧化物为Fe2O3和CuO。Zhang等人[82]制备了Ti-Sn-Ce/竹炭颗粒电极，用以处理焦化废水，优化了颗粒电极的配比（Ti：Sn：Ce=100：