探讨三维电极技术及其在环境治污中的作用

摘要：本文介绍了三维电极技术工作机理和其电极反应器的分类；简述了三维电极技术在废水处理以及废气治理相关领域的应用状况；提出了如何提高三维电极技术的工作效率和降低其处理费用的措施。

关键词：三维电极技术；环境治污；处理措施

1 引言

电化学方法治理废水一般无需添加氧化剂，设备简单，体积小，污泥量少，后处理简单，通常被称为“环境友好”的高级氧化技术。传统的平板二维电极面体比较小，单位槽体处理量小，电流效率低，成本较高，发展缓慢。随着传质理论、材料科学及电力工业的迅速发展，针对传统二维电极的这一缺陷，在20 世纪60 年代末提出了三维电极的概念。三维电极技术是一种新型的电化学技术，是在二维电解槽电极间装填粒状工作电极材料，并使装充的工作材料表面带电而成为新的一极（第三极），在电极材料表面发生电化学反应。与传统的二维电极相比，三维电极能够增大电解槽的面体比，提高有效电极面积，因粒子间距小而改善物质传质速率，提高了电极处理效果。三维电极法不仅电解效果好，而且比二维电极法节能可达70% 以上[1]。因此，三维电极技术在理论研究和实际应用方面都取得了一定程度的发展，在环境污染治理领域显示出良好的应用前景。

2 三维电极法的工作机理

三维电极按其极性可分为单极性三维电极与复极性三维电极。单极性电极一般填充阻抗较小的粒子电极材料，两主电极间通常有隔膜存在。主电极与粒子电极接触，使粒子电极表面带上与主电极相同的电荷，电化学反应在阴阳极各自进行，有机物在阳极被氧化，重金属离子在阴极被还原。在单极性三维电极体系中，以隔膜为界面，阴、阳极区靠近隔膜处的电极电位绝对值明显高于靠近两极处，且阴、阳极区电极电位绝对值都随外加电压的增加而增大。阴、阳极板电极电位的差值决定了阴、阳极反应区电极电位的变化方向。

复极性电极一般填充高阻抗的粒子电极材料，无需隔膜，通过主电极间的电场使粒子电极因静电感应分别带上正负电荷，每一个粒子成为一个独立的电极，电化学反应在每一个粒子表面同时进行。在复极性三维电极体系中，电解槽内的粒子在高梯度的电场作用下，感应而复极化为复极性粒子，在粒子的一端发生阳极反应，另一端发生阴极反应，整个粒子成为一个立体的电极，粒子之间构成一个微电解池，整个电解槽由这样的很多微电解池组成，缩短了反应物的迁移距离。作为电极材料，填充粒子应具有良好的导电性、耐腐蚀性及良好的电催化性能。复极性三维电极中，粒子电极的理想条件是粒子的电阻远小于溶液电阻，便于粒子复极化，又要求粒子之间彼此绝缘。因此，改善粒子的接触状态是提高复极性电解槽电解效率的关键。

3 三维电极反应器的分类

三维电极反应器按照不同的分类方法有如下几种类型：

（1）按照电极的结构可分为矩形和圆筒形。圆筒形反应器主阳极和阴极位置灵活多变，有多种组合方式。矩形反应器主阳极和阴极固定在槽内两侧。圆筒形反应器比矩形反应器具有更好的对称性，出现死角和滞留污染物的可能性小。在电位分布上，矩形反应器的性能优于圆筒形。

（2）按照填充粒子的极性可分为单极性和复极性。单极性电解槽填充粒子为低阻抗粒子材料，工作是需要隔膜将阴阳极隔离。复极性电解槽填充高阻抗粒子材料，在高梯度的电场作用下发生感应而成为复极性粒子，即在粒子两端分别发生阴阳极反应。每个粒子都相当于一个微电解池。

（3）按照电极的连接方式分为单级式和双级式。单级式反应器阳极和阴极以并联方式与

（4）按照电流与电解质流动的方向，分为流经式和流通式。流经式，电流与液流流动方向垂直。流通式，电流与液流流动方向平行，反应器厚度较小，液流和电流作用路径较短，适于处理废水中污染物浓度较低的情况。

（5）按照粒子电极的填充方式有固定床、填充床、移动床及流化床。固定床具有较高的填料粒子复极化能力，床层中电压、电流分布相对均匀，应用较广。流化床采用较大的流速以保证填料处于流化态，最大缺点是流化可能致使极化粒子的间距变大增加液相的欧姆压降，导致床层电压分压严重不均，在有机废水中应用较少。

4 三维电极技术在环境污染治理领域中的应用

4.1 废水处理中的应用

将三维电极法应用于造纸废水的处理。三维电极法能有效地降解和去除CTMP制浆废水中的污染物，在反应时间为30 min、槽电压3V、pH值为3～5的条件下，CODCr去除率大于60%，脱色率大于90%，可有效提高废水的可生化性。开展三维三相电极法处理焦化废水的试验研究[2]，结果表明，在不增加能耗的基础上，三维三相电极反应器对COD的去除率比传统的二维电极反应器提高了30%，其最佳工作参数为20V 电解电压、120min处理时间和15g活性炭投加量。采用三维电极法处理印染废水[3]，其最佳工艺条件为槽电压25～30V、电解时间120～180min、进水pH 6.5～7.5，处理后废水色度及COD 去除率分别达到90% 和50% 以上，废水BOD5/COD 从0.21提高至0.32，但耗电量受原水电导率影响很大。以活性炭和锰砂为混合粒子电极[4]，运用三维电极技术深度处理城市生活污水，考察其对污水处理厂二级出水中CODMn 的去除效果。利用正交试验确定最佳处理条件为：粒子电极配比9：1、极板间距9.0cm、电流密度4.4mA·cm-2、电解时间20min，对CODMn 的去除率达到70%，优于常规三级处理工艺和曝气生物滤池/过滤工艺。对医院污水进行了三维电极电化学消毒研究，在电压30V、电流密度6mA·cm-2、水力停留时间15min、空气流量40L·h-1、极水比1.0 的条件下，处理后的污水达到国家一级排放标准。以铁粒作为粒子电极，用三相三维电极法处理炼油厂废水，在槽电压12V、初始pH6.5 和盐度84μs·cm-1 下，COD 去除率达92.8%，并讨论了不同金属粒子电极作用下的反应机理。三维电极技术已被应用于重金属废水治理的研究中。采用离子交换树脂与铜粒等比例混合制成复合三维电极反应器处理低浓度含铜废水，处理浓度为0.32mg·L-1、流速为1.0mL·s-1 的废水时，槽压为2.1V，阴极床厚度为8.4mm，出口的铜浓度低于0.01mg·L-1，达到国家排放标准。对Zn2+ 浓度为95.0mg·L-1 模拟废水进行了试验研究，在最佳条件下可使其浓度降至4.1mg·L-1，去除率达95.7%。用三维电极同时去除溶液中的Cu2+ 和Zn2+ 离子，Cu2+ 浓度从150mg·cm-3 降至0.05mg·cm-3，电流效率68%，在pH ≥ 10 时Zn2+浓度由200mg·cm-3减少至1.1mg·cm-3，电流效率65%。

4.2 废气治理中的应用

将三维电极反应器运用到烟气脱硫领域中，实现了烟气脱硫设备的小型化，为大气污染控制开辟了新的途径[5]。实验表明，电流密度的变化与活性炭填料厚度的变化成正比，脱硫率也随之成一定比例变化，当活性炭填料厚度为10cm 时，脱硫效率高达97%，而当电压在6V及其6V 以上时，其脱硫率保持平稳的波动状态。

5 结束语

虽然三维电极的性能优越于二维电极，但要广泛应用于环境污染治理的实践中，仍需采取各种措施提高效率，降低处理费用，具体如下：（1）设计出科学而紧凑的三维电极床体结构，优化各项操作参数，改进填料和电源方式等，解决电极装置长期运转后电极堵塞的问题。

（2）寻找和探索制备新型高效三维电极的方法，加强新型电极材料的研制，开发价格低廉、电催化性能好、抗腐蚀能力强的复合电极材料，研究网状电极材料、金属化导电聚合物电极材料，提高电流效率，解决三维电极装置中投加电解质的问题。

（3）如何将三维电极技术与声、光、磁和生物技术很好地耦合起来，拓宽电化学应用范围，使其广泛地应用于污染控制的工业化过程，也是一个极有前途的开发领域。

参考文献：

[1] 雷利荣. 三维电极电化学法处理桉木CTMP制浆废水[J]. 中国造纸，2006.

[2] 崔艳萍. 三维三相电极处理焦化废水的试验研究[J]. 中国给水排水，2006.

[3]何国建，刘晓波，汪德. 三维电极法处理印染废水[J].化工环保，2004.

[4] 李福勤. 三维电极去除污水厂二级出水中CODMn 的研究[J]. 中国给水排水，2009.

[5] 陈武. 三维电极电化学方法处理含锌废水的试验研究[J]. 长江大学学报（自科版），2006.