,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,电催化技术,（,Technology of Electrocatalysis),1,主要内容,电化学,电催化的定义及特点,电催化去除污染物的基本原理,电催化电极与电解质,电催化废水处理反应器形式及应用,电催化技术的优点、局限性及展望,2,电 化 学,电化学定义,：研究电能与化学能之间相互转化的学科。,原电池：化学能转化为电能,电解池：电能转化为化学能,转化条件,：,1.,涉及的化学反应必须有电子的转移,氧化还原反应。,2.,化学反应必须在电极上进行,3,原电池组成：,原电池：,借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。,电极,负极：电子流出的一极，,发生氧化反应。,正极,：,电子流入的一极，,发生还原反应。,盐桥,盐桥中装有饱和的,KCl,溶液和琼脂制成的胶冻。,铜锌原电池,（丹尼尔电池）,4,电 解：,在外电源的作用下被迫,发生的氧化还原过程。,电解池：,将电能转变为化学能的,装置。,电解,NaOH,的电解池,阳极：,与电池正极相联,阴极：,与电池负极相联,根据离子迁移的方向，又分为：,阴极：是阳离子移向的一极,阳极：是阴离子移向的一极,5,主要内容,电化学,电催化的定义及特点,电催化去除污染物的基本原理,电催化电极与电解质,电催化废水处理反应器形式及应用,电催化技术的优点、局限性及展望,6,定义：在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作用。,电催化的定义,7,与常规化学催化相比,1.,在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程中，既不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或获得电流；在电极催化反应中有纯电子的转移。电极作为一种非均相催化剂既是反应场所，又是电子的供,受场所，即电催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。,电催化的特点,8,与常规化学催化相比,2.,在常规化学催化反应中，电子的转移过程无法从外部加以控制；电催化反应过程中可以利用外部回路控制电流，使反应条件、反应速度比较容易控制，并可以实现一些剧烈的电解和氧化,-,还原反应的条件。,电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速度快慢的依据,电催化的特点,9,电催化的特点,与电化学相比,电催化反应在电化学反应的基础之上，主要是在电极上修饰表面材料及化学材料来产生强氧化性的活性物种，从而提高其降解有机物的能力；电化学反应只是简单电极上的反应，其处理效率明显比电催化反应低。,10,主要内容,电化学,电催化的定义及特点,电催化去除污染物的基本原理,电催化电极与电解质,电催化废水处理反应器形式及应用,电催化技术的优点、局限性及展望,11,电催化去除污染物的基本原理,电化学还原,直接还原,间接还原,电化学氧化,直接氧化,间接氧化,电化学转换,电化学燃烧,电凝聚作用,电浮选,光电化学氧化,12,在电解过程当中，如果采用铝质或铁质的可溶性阳极，通以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成金属阳离子,Fe,3+,、,Al,3+,等，与溶液中的粒子形成具有絮凝作用的胶体物质，这些物质可促使水中的胶态杂质絮凝沉淀，从而实现污染物的去出。,电凝聚作用,13,电浮选,在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和阳极上分别析出,H,2,和,O,2,，产生直径很小（约,815m,）、分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除，从而达到分离污染物的目的。,可通过调节电流、电极材料、,pH,值和温度可改变产气量及气泡大小，满足不同需要。,14,光电化学氧化,在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降解的同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提高了对难降解有机物的催化降解效率。,15,主要内容,电化学,电催化的定义及特点,电催化去除污染物的基本原理,电催化电极与电解质,电催化废水处理反应器形式及应用,电催化技术的优点、局限性及展望,16,电极,指与电解质接触的电子导体或半导体，它既是电子贮存器，能够实现电能的输入或输出，又是电化学反应发生的场所。,催化电极,首先应该是一个电子导体，其次要兼具催化功能，即：既能导电，又能对反应物进行活化，提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。,电催化电极电解质,17,1.,催化电极与电极材料的种类,2.,催化电极的性能,3.,电催化电极的组成及结构（表面材料、基础电极、载体和电极表面结构）,4.,电解质,电催化电极电解质,18,1.,催化电极与电极材料的种类,主要分为两大类：二维电极；三维电极,.,19,1.,催化电极与电极材料的种类,a.,二维电催化电极,应用最广泛的是,DSA,类电极。,DSA,电极,以特殊工艺在金属基体（如,Ti,，,Zr,，,Ta,，,Nb,等）上沉积一层微米或亚微米级的金属氧化物薄膜（如,SnO,2,，,IrO,2,，,RuO,2,，,PbO,2,等）而制备的稳定电极。,DSA,类电极通过改进材料及涂层结构提供了较高的析氧过电位，防止阳极氧气的析出，提高其电流效率。,20,1.,催化电极与电极材料的种类,优点：,由于,DSA,类电极的化学和电化学性质能够随着氧化物膜的材料组成和制备方法而改变，因而能够获得良好的稳定性和催化活性。,缺点：,有效电极面积很小，传质差，导致单位时空处理效率较低。,21,1.,催化电极与电极材料的种类,b.,三维电催化电极,定义：,在原有的二维电极之间装填粒状或其他屑状工作电极材料，致使装填电极表面带电，在工作电极材料表面发生电化学反应。,优点：,面积比较大且能以较低的电流密度提供较大的电流强度；粒子之间间距小，物质传质极大改善；单位时空产率和电流效率均极大提高，尤其对低电导率废水，其优势更是明显。,22,1.,催化电极与电极材料的种类,a.,金属电极,金属电极是指以金属作为电极反应界面的裸露电极，除碱金属和碱土金属外，大多数金属作为电化学电极均有很多研究报道。,b.,碳素电极,由元素碳组成的电极的总称。可分为天然石墨电极、人造石墨电极、碳电极以及特种碳素电极等四类。,23,1.,催化电极与电极材料的种类,c.,金属氧化物电极,导电金属氧化物电极具有重要的电催化特性，这类电极大多为半导体材料。,d.,非金属化合物电极,一般所说的非金属电极是指硼化物、碳化物、氮化物、硅化物、氯化物等。非金属材料作为电极材料，最大的优势在于这类材料的特殊物理性质，如高熔点、高硬度、高耐磨性、良好的耐腐蚀性以及类似金属的性质等。,24,2.,催化电极的性能,电极在电化学处理技术中处于“心脏”的地位，电极的电催化特性是电催化技术的核心内容，即希望电极对目标有机物表现出高的反应速率，并且有好的选择性。,催化电极的功能：,既能导电，又能对反应物进行活化，提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。,25,2.,催化电极的性能,良好的电催化电极应该具备下列几项性能：,（,1,）良好的导电性：,至少与导电材料（例如石墨）结合后能为电子交换反应提供不引起严重电压降的电子通道，即电极材料的电阻不能太大；,（,2,）高的催化活性：,即能够实现所需要的催化反应，抑制不需要或有害的副反应；,（,3,）良好的稳定性：,能够耐受杂质及中间产物的作用而不致较快地被污染（或中毒）而失活，并且在实现催化反应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去催化活性；,26,良好的电催化电极应该具备下列几项性能：,（,4,）良好的机械物理性质：,即表面层不脱落、不溶解。,电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。电极材料的不同可以使反应速度发生数量级的变化。改变电极材料的性质，既可以通过变换电极基体材料来实现，也可以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性而实现。电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。,2.,催化电极的性能,27,3.,电催化电极的组成及结构,催化剂之所以能改变电极反应的速率，是由于催化剂与反应物之间存在的某种相互作用改变了反应进行的途径，降低了反应的活化能。在电催化过程中，催化反应是发生在催化电极,/,电解液的界面，即反应物分子必须与电催化电极发生相互作用，而相互作用的强弱则主要决定于催化电极表面的结构和组成。,28,4.,电解质,支持电解质：,加入到有机废水的电化学处理体系中，可以增强溶液导电性，使有机物的降解反应顺利发生的电解质盐。,基本要求：,（,1,）当量电导率大：,降低电阻，减少能耗；,（,2,）性质稳定：,不参与电化学反应，也不与有机物反应，避免能量损耗，降低电流效率；,（,3,）无毒无害，且易于去除；,（,4,）不在电极表面发生特性吸附：,避免降低电极的有效反应面积。,Na2SO4,29,主要内容,电化学,电催化的定义及特点,电催化去除污染物的基本原理,电催化电极与电解质,电催化废水处理反应器形式及应用,电催化技术的优点、局限性及展望,30,电催化废水处理反应器形式及应用,1.,电催化废水处理反应器形式,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。,电化学反应器分为,二维反应器,和,三维反应器,，如下表：,31,32,电催化废水处理反应器形式及应用,2.,电催化技术在废水处理中的应用,33,电催化废水处理反应器形式及应用,2.,电催化技术在废水处理中的应用,国内状况：电化学水处理技术的研究应用和国外相比比较分散、不系统。,（,1,）重金属的去除和含氰废水的处理；,（,2,）染料工业废水；,（,3,）工业废水；,（,4,）啤酒厂废水。,34,电催化废水处理反应器形式及应用,2.,电催化技术在废水处理中的应用,国外状况：用电化学水处理技术处理有机废水的研究很多。,（,1,）制革废水；,（,2,）印染废水；,（,3,）甲醛废水,（,4,）垃圾渗滤液,电化学过程可以有效地破坏大分子有机物，并降低其毒性，处理后的废水可生化降解性提高。,35,主要内容,电化学,电催化的定义及特点,电催化去除污染物的基本原理,电催化电极与电解质,电催化废水处理反应器形式及应用,电催化技术的优点、局限性及展望,36,电催化技术的优点、局限性及展望,1.,优点,（,1,）电子转移只在电极及废水组分之间进行，不需要另外添加氧化还原试剂，同时也避免了由另外添加药剂而引起的二次污染问题；,（,2,）可以通过改变外加电流、电压，随时间调节反应条件，可控制性较强；,（,3,）反应过程中可能产生的自由基可以无选择地直接与废水中的有机污染物反应，可将其降解为,CO2,、,H2O,和简单低分子有机物，没有或很少产生二次污染；,37,电催化技术的优点、局限性及展望,（,4,）能量效率高，反应条件较温和，电化学过程一般在常温常压下即可进行；,（,5,）反应器设备及其操作一般比较简单，如果设计合理，费用并不昂贵；,（,6,）当排污规模较小时，可以进行就地处理；,（,7,）当废水中含有金属离子时，阴、阳两极可同时起作用（阴极还原金属离子，阳极氧化有机物），使处理效率提高，同时回收再利用有价值的化学品或金属，避