電催化技術(shù)專題知識(shí)

電催化技術(shù)專題知識(shí)電催化技術(shù)專題知識(shí)第1頁(yè)主要內(nèi)容◎

電化學(xué)◎電催化定義及特點(diǎn)◎電催化去除污染物基礎(chǔ)原理◎電催化電極與電解質(zhì)◎

電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用◎

電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望電催化技術(shù)專題知識(shí)第2頁(yè)電化學(xué)電化學(xué)定義：研究電能與化學(xué)能之間相互轉(zhuǎn)化學(xué)科。原電池：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電解池：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能轉(zhuǎn)化條件：

1.包括化學(xué)反應(yīng)必須有電子轉(zhuǎn)移

——氧化還原反應(yīng)。

2.化學(xué)反應(yīng)必須在電極上進(jìn)行電催化技術(shù)專題知識(shí)第3頁(yè)原電池組成：原電池：借助氧化還原反應(yīng)把化學(xué)能直接變成電能裝置。①電極負(fù)極：電子流出一極，發(fā)生氧化反應(yīng)。正極：電子流入一極，發(fā)生還原反應(yīng)。②鹽橋鹽橋中裝有飽和KCl溶液和瓊脂制成膠凍。銅鋅原電池（丹尼爾電池）電催化技術(shù)專題知識(shí)第4頁(yè)

電解：在外電源作用下被迫發(fā)生氧化還原過(guò)程。電解池：將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能裝置。電解NaOH電解池陽(yáng)極：與電池正極相聯(lián)陰極：與電池負(fù)極相聯(lián)依據(jù)離子遷移方向，又分為：陰極：是陽(yáng)離子移向一極陽(yáng)極：是陰離子移向一極電催化技術(shù)專題知識(shí)第5頁(yè)主要內(nèi)容◎

電化學(xué)◎

電催化定義及特點(diǎn)◎電催化去除污染物基礎(chǔ)原理◎電催化電極與電解質(zhì)◎

電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用◎

電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望電催化技術(shù)專題知識(shí)第6頁(yè)定義：在電場(chǎng)作用下，存在于電極表面或溶液相中修飾物能促進(jìn)或抑制在電極上發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，而電極表面或溶液相中修飾物本身并不發(fā)生改變一類化學(xué)作用。電催化定義電催化技術(shù)專題知識(shí)第7頁(yè)——與常規(guī)化學(xué)催化相比1.在常規(guī)化學(xué)催化作用中，反應(yīng)物和催化劑之間電子傳遞是在限定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。所以，在反應(yīng)過(guò)程中，既不能從外電路中送入電子，也不能從反應(yīng)體系導(dǎo)出電子或取得電流；在電極催化反應(yīng)中有純電子轉(zhuǎn)移。電極作為一個(gè)非均相催化劑既是反應(yīng)場(chǎng)所，又是電子供—受場(chǎng)所，即電催化反應(yīng)同時(shí)含有催化化學(xué)反應(yīng)和使電子遷移雙重功效。電催化特點(diǎn)電催化技術(shù)專題知識(shí)第8頁(yè)——與常規(guī)化學(xué)催化相比2.在常規(guī)化學(xué)催化反應(yīng)中，電子轉(zhuǎn)移過(guò)程無(wú)法從外部加以控制；電催化反應(yīng)過(guò)程中能夠利用外部回路控制電流，使反應(yīng)條件、反應(yīng)速度比較輕易控制，并能夠?qū)崿F(xiàn)一些猛烈電解和氧化-還原反應(yīng)條件。——電催化反應(yīng)輸出電流則能夠用來(lái)作為測(cè)定反應(yīng)速度快慢依據(jù)電催化特點(diǎn)電催化技術(shù)專題知識(shí)第9頁(yè)電催化特點(diǎn)

——與電化學(xué)相比

電催化反應(yīng)在電化學(xué)反應(yīng)基礎(chǔ)之上，主要是在電極上修飾表面材料及化學(xué)材料來(lái)產(chǎn)生強(qiáng)氧化性活性物種，從而提升其降解有機(jī)物能力；電化學(xué)反應(yīng)只是簡(jiǎn)單電極上反應(yīng)，其處理效率顯著比電催化反應(yīng)低。電催化技術(shù)專題知識(shí)第10頁(yè)主要內(nèi)容◎

電化學(xué)◎電催化定義及特點(diǎn)◎

電催化去除污染物基礎(chǔ)原理◎電催化電極與電解質(zhì)◎

電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用◎

電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望電催化技術(shù)專題知識(shí)第11頁(yè)電催化去除污染物基礎(chǔ)原理電化學(xué)還原直接還原間接還原電化學(xué)氧化直接氧化間接氧化電化學(xué)轉(zhuǎn)換電化學(xué)燃燒電凝聚作用電浮選光電化學(xué)氧化電催化技術(shù)專題知識(shí)第12頁(yè)在電解過(guò)程當(dāng)中，假如采取鋁質(zhì)或鐵質(zhì)可溶性陽(yáng)極，通以直流電后，陽(yáng)極材料會(huì)在電解過(guò)程當(dāng)中發(fā)生溶解，形成金屬陽(yáng)離子Fe3+、Al3+等，與溶液中粒子形成含有絮凝作用膠體物質(zhì)，這些物質(zhì)可促使水中膠態(tài)雜質(zhì)絮凝沉淀，從而實(shí)現(xiàn)污染物去出。電凝聚作用電催化技術(shù)專題知識(shí)第13頁(yè)電浮選在對(duì)廢水進(jìn)行電化學(xué)處理過(guò)程中，經(jīng)過(guò)電極反應(yīng)在陰極和陽(yáng)極上分別析出H2和O2，產(chǎn)生直徑很?。s8~15μm）、分散度很高氣泡，作為載體吸附系統(tǒng)中膠體微粒及懸浮固體上浮，在水面形成泡漠層，用機(jī)械方法加以去除，從而到達(dá)分離污染物目標(biāo)?？山?jīng)過(guò)調(diào)整電流、電極材料、pH值和溫度可改變產(chǎn)氣量及氣泡大小，滿足不一樣需要。電催化技術(shù)專題知識(shí)第14頁(yè)光電化學(xué)氧化在電場(chǎng)作用下，以光催化劑作為電化學(xué)催化電極，使陽(yáng)極發(fā)生電催化作用對(duì)陽(yáng)極槽中有機(jī)物進(jìn)行催化降解同時(shí)，并在紫外光作用下，降解污染物，從而大大提升了對(duì)難降解有機(jī)物催化降解效率。電催化技術(shù)專題知識(shí)第15頁(yè)主要內(nèi)容◎

電化學(xué)◎電催化定義及特點(diǎn)◎電催化去除污染物基礎(chǔ)原理◎

電催化電極與電解質(zhì)◎

電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用◎

電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望電催化技術(shù)專題知識(shí)第16頁(yè)電極——指與電解質(zhì)接觸電子導(dǎo)體或半導(dǎo)體，它既是電子貯存器，能夠?qū)崿F(xiàn)電能輸入或輸出，又是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生場(chǎng)所。催化電極——首先應(yīng)該是一個(gè)電子導(dǎo)體，其次要兼具催化功效，即：既能導(dǎo)電，又能對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行活化，提升電子轉(zhuǎn)移速率，對(duì)電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行某種促進(jìn)和選擇。電催化電極電解質(zhì)電催化技術(shù)專題知識(shí)第17頁(yè)1.催化電極與電極材料種類2.催化電極性能3.電催化電極組成及結(jié)構(gòu)（表面材料、基礎(chǔ)電極、載體和電極表面結(jié)構(gòu)）4.電解質(zhì)電催化電極電解質(zhì)電催化技術(shù)專題知識(shí)第18頁(yè)1.催化電極與電極材料種類主要分為兩大類：二維電極；三維電極.電催化技術(shù)專題知識(shí)第19頁(yè)1.催化電極與電極材料種類a.二維電催化電極應(yīng)用最廣泛是DSA類電極。

DSA電極——以特殊工藝在金屬基體（如Ti，Zr，Ta，Nb等）上沉積一層微米或亞微米級(jí)金屬氧化物薄膜（如SnO2，IrO2，RuO2，PbO2等）而制備穩(wěn)定電極。

DSA類電極經(jīng)過(guò)改進(jìn)材料及涂層結(jié)構(gòu)提供了較高析氧過(guò)電位，預(yù)防陽(yáng)極氧氣析出，提升其電流效率。電催化技術(shù)專題知識(shí)第20頁(yè)1.催化電極與電極材料種類優(yōu)點(diǎn)：因?yàn)镈SA類電極化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)能夠伴隨氧化物膜材料組成和制備方法而改變，因而能夠取得良好穩(wěn)定性和催化活性。缺點(diǎn)：有效電極面積很小，傳質(zhì)差，造成單位時(shí)空處理效率較低。電催化技術(shù)專題知識(shí)第21頁(yè)1.催化電極與電極材料種類b.三維電催化電極

定義：在原有二維電極之間裝填粒狀或其它屑狀工作電極材料，致使裝填電極表面帶電，在工作電極材料表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

優(yōu)點(diǎn)：面積比較大且能以較低電流密度提供較大電流強(qiáng)度；粒子之間間距小，物質(zhì)傳質(zhì)極大改進(jìn)；單位時(shí)空產(chǎn)率和電流效率均極大提升，尤其對(duì)低電導(dǎo)率廢水，其優(yōu)勢(shì)更是顯著。電催化技術(shù)專題知識(shí)第22頁(yè)1.催化電極與電極材料種類a.金屬電極金屬電極是指以金屬作為電極反應(yīng)界面裸露電極，除堿金屬和堿土金屬外，大多數(shù)金屬作為電化學(xué)電極都有很多研究報(bào)道。

b.碳素電極

由元素碳組成電極總稱?？煞譃樘烊皇姌O、人造石墨電極、碳電極以及特種碳素電極等四類。電催化技術(shù)專題知識(shí)第23頁(yè)1.催化電極與電極材料種類c.金屬氧化物電極

導(dǎo)電金屬氧化物電極含有主要電催化特征，這類電極大多為半導(dǎo)體材料。d.非金屬化合物電極普通所說(shuō)非金屬電極是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金屬材料作為電極材料，最大優(yōu)勢(shì)在于這類材料特殊物理性質(zhì)，如高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、良好耐腐蝕性以及類似金屬性質(zhì)等。電催化技術(shù)專題知識(shí)第24頁(yè)2.催化電極性能電極在電化學(xué)處理技術(shù)中處于“心臟”地位，電極電催化特征是電催化技術(shù)關(guān)鍵內(nèi)容，即希望電極對(duì)目標(biāo)有機(jī)物表現(xiàn)出高反應(yīng)速率，而且有好選擇性。催化電極功效：既能導(dǎo)電，又能對(duì)反應(yīng)物進(jìn)行活化，提升電子轉(zhuǎn)移速率，對(duì)電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行某種促進(jìn)和選擇。電催化技術(shù)專題知識(shí)第25頁(yè)2.催化電極性能良好電催化電極應(yīng)該具備以下幾項(xiàng)性能：

（1）良好導(dǎo)電性：最少與導(dǎo)電材料（比如石墨）結(jié)合后能為電子交換反應(yīng)提供不引發(fā)嚴(yán)重電壓降電子通道，即電極材料電阻不能太大；（2）高催化活性：即能夠?qū)崿F(xiàn)所需要催化反應(yīng)，抑制不需要或有害副反應(yīng)；（3）良好穩(wěn)定性：能夠耐受雜質(zhì)及中間產(chǎn)物作用而不致較快地被污染（或中毒）而失活，而且在實(shí)現(xiàn)催化反應(yīng)電勢(shì)范圍內(nèi)催化表面不至于因電化學(xué)反應(yīng)而過(guò)早失去催化活性；電催化技術(shù)專題知識(shí)第26頁(yè)良好電催化電極應(yīng)該具備以下幾項(xiàng)性能：

（4）良好機(jī)械物理性質(zhì)：即表面層不脫落、不溶解。電極材料性質(zhì)是決定電極催化特征關(guān)鍵原因。電極材料不一樣能夠使反應(yīng)速度發(fā)生數(shù)量級(jí)改變。改變電極材料性質(zhì)，既能夠經(jīng)過(guò)變換電極基體材料來(lái)實(shí)現(xiàn)，也能夠用有電催化性能涂層對(duì)電極表面進(jìn)行修飾改性而實(shí)現(xiàn)。電極涂層制備工藝條件對(duì)其催化性能有很大影響。2.催化電極性能電催化技術(shù)專題知識(shí)第27頁(yè)3.電催化電極組成及結(jié)構(gòu)催化劑之所以能改變電極反應(yīng)速率，是因?yàn)榇呋瘎┡c反應(yīng)物之間存在某種相互作用改變了反應(yīng)進(jìn)行路徑，降低了反應(yīng)活化能。在電催化過(guò)程中，催化反應(yīng)是發(fā)生在催化電極/電解液界面，即反應(yīng)物分子必須與電催化電極發(fā)生相互作用，而相互作用強(qiáng)弱則主要決定于催化電極表面結(jié)構(gòu)和組成。電催化技術(shù)專題知識(shí)第28頁(yè)4.電解質(zhì)支持電解質(zhì)：加入到有機(jī)廢水電化學(xué)處理體系中，能夠增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性，使有機(jī)物降解反應(yīng)順利發(fā)生電解質(zhì)鹽?；A(chǔ)要求：

（1）當(dāng)量電導(dǎo)率大：降低電阻，降低能耗；

（2）性質(zhì)穩(wěn)定：不參加電化學(xué)反應(yīng)，也不與有機(jī)物反應(yīng)，防止能量損耗，降低電流效率；

（3）無(wú)毒無(wú)害，且易于去除；

（4）不在電極表面發(fā)生特征吸附：防止降低電極有效反應(yīng)面積。Na2SO4電催化技術(shù)專題知識(shí)第29頁(yè)主要內(nèi)容◎

電化學(xué)◎電催化定義及特點(diǎn)◎電催化去除污染物基礎(chǔ)原理◎電催化電極與電解質(zhì)◎

電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用◎

電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望電催化技術(shù)專題知識(shí)第30頁(yè)電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用1.電催化廢水處理反應(yīng)器形式電化學(xué)反應(yīng)器種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不一樣應(yīng)用領(lǐng)域，所應(yīng)用反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和形式均不完全一樣，其中，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和電極結(jié)構(gòu)是影響電化學(xué)應(yīng)用中電流效率主要原因之一。電化學(xué)反應(yīng)器分為二維反應(yīng)器和三維反應(yīng)器，以下表：電催化技術(shù)專題知識(shí)第31頁(yè)電催化技術(shù)專題知識(shí)第32頁(yè)電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用2.電催化技術(shù)在廢水處理中應(yīng)用電催化技術(shù)專題知識(shí)第33頁(yè)電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用2.電催化技術(shù)在廢水處理中應(yīng)用我國(guó)情況：電化學(xué)水處理技術(shù)研究應(yīng)用和國(guó)外相比比較分散、不系統(tǒng)。（1）重金屬去除和含氰廢水處理；（2）染料工業(yè)廢水；（3）工業(yè)廢水；（4）啤酒廠廢水。電催化技術(shù)專題知識(shí)第34頁(yè)電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用2.電催化技術(shù)在廢水處理中應(yīng)用國(guó)外情況：用電化學(xué)水處理技術(shù)處理有機(jī)廢水研究很多。（1）制革廢水；（2）印染廢水；（3）甲醛廢水（4）垃圾滲濾液電化學(xué)過(guò)程能夠有效地破壞大分子有機(jī)物，并降低其毒性，處理后廢水可生化降解性提升。電催化技術(shù)專題知識(shí)第35頁(yè)主要內(nèi)容◎

電化學(xué)◎電催化定義及特點(diǎn)◎電催化去除污染物基礎(chǔ)原理◎電催化電極與電解質(zhì)◎

電催化廢水處理反應(yīng)器形式及應(yīng)用◎

電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望電催化技術(shù)專題知識(shí)第36頁(yè)電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望1.優(yōu)點(diǎn)（1）電子轉(zhuǎn)移只在電極及廢水組分之間進(jìn)行，不需要另外添加氧化還原試劑，同時(shí)也防止了由另外添加藥劑而引發(fā)二次污染問(wèn)題；（2）能夠經(jīng)過(guò)改變外加電流、電壓，隨時(shí)間調(diào)整反應(yīng)條件，可控制性較強(qiáng)；（3）反應(yīng)過(guò)程中可能產(chǎn)生自由基能夠無(wú)選擇地直接與廢水中有機(jī)污染物反應(yīng)，可將其降解為CO2、H2O和簡(jiǎn)單低分子有機(jī)物，沒(méi)有或極少產(chǎn)生二次污染；電催化技術(shù)專題知識(shí)第37頁(yè)電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望（4）能量效率高，反應(yīng)條件較溫和，電化學(xué)過(guò)程普通在常溫常壓下即可進(jìn)行；（5）反應(yīng)器設(shè)備及其操作普通比較簡(jiǎn)單，假如設(shè)計(jì)合理，費(fèi)用并不昂貴；（6）當(dāng)排污規(guī)模較小時(shí)，能夠進(jìn)行就地處理；（7）當(dāng)廢水中含有金屬離子時(shí)，陰、陽(yáng)兩極可同時(shí)起作用（陰極還原金屬離子，陽(yáng)極氧化有機(jī)物），使處理效率提升，同時(shí)回收再利用有價(jià)值化學(xué)品或金屬，防止了二次污染；電催化技術(shù)專題知識(shí)第38頁(yè)電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望（8）兼有吸附、絮凝、殺菌作用；（9）作為一個(gè)清潔工藝，設(shè)備占地面積小，尤其適合于人口擁擠城市中污水處理；（10）既能夠單獨(dú)處理，又能夠與其它處理方法相結(jié)合，比如作為前處理，能夠?qū)㈦y降解有機(jī)物或生物毒性污染物轉(zhuǎn)化為可降解物質(zhì)，從而提升廢水可生物降解性。電催化技術(shù)專題知識(shí)第39頁(yè)電催化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)、不足及展望2.不足（1）電解法處理有機(jī)污染物機(jī)理探討還很不充分，不能對(duì)電極選擇、工藝設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)確實(shí)立起到詳細(xì)理論指導(dǎo)作用；

（2）電流效率依然很低，經(jīng)濟(jì)上不合理?，F(xiàn)在研究電極價(jià)格偏高（主要指各種貴金屬電極或鈦基電極），處理過(guò)程耗電量很大，即實(shí)用化電極材料不多，且壽命普通都不長(zhǎng)，所以處