物理化學綜述物理化學綜述綜述題目：電化學在環境保護中的應用電化學在環境保護中的應用摘要摘要概述了電化學在環境保護中的優越性,綜述了電化學處理環境污染物的基本方法,總結了電化學技術在環境污染治理中的應用,分析了電化學體系存在的問題,展望了電化學在環境治理領域的應用前景和發展方向。電化學技術處理環境污染物的基本方法電化學技術處理環污染物常用的基本方法有電化學氧化、電化學還原、光電化學氧化、電滲析、電吸附、電凝聚、電沉積、電化學膜分離等。關鍵詞環境保護;電化學技術;環境污染物AbstractSummarizestheadvantagesofelectrochemistryinenvironmentalprotection,electrochemicalprocessandthebasicmethodsofenvironmentalpollutantswerereviewed,summarizedtheapplicationofelectrochemistrytechnologyinenvironmentalpollutioncontrol,analyzestheexistingproblemsofelectrochemistrysystem,prospectstheelectrochemicalapplicationprospectanddevelopmentdirectioninthefieldofenvironmentalgovernance.Electrochemicaltechnologyprocessingthebasicwaysofenvironmentalpollutantsbyelectrochemicaltechnologyprocessingringpollutantscommonlyusedbasicmethodhaselectrochemicaloxidation,electrochemicalreduction,photoelectrochemicaloxidation,electrodialysis,theelectricadsorption,electrocoagulation,electrodeposition,electrochemicalmembraneseparation,etc.Keywordsenvironmentalprotection;Theelectrochemicaltechnology;Environmentalpollutants前言電化學含義電化學是研究電和化學反應相互關系的科學。電和化學反應相互作用可通過電池來完成，也可利用高壓靜電放電來實現（如氧通過無聲放電管轉變為臭氧），二者統稱電化學，后者為電化學的一個分支，稱放電化學。由于放電化學有了專門的名稱，因而，電化學往往專門指“電池的科學”在物理化學的眾多分支中，電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的應用分為以下幾個方面：①電解工業，其中的氯堿工業是僅次于合成氨和硫酸的無機物基礎工業、耐綸66的中間單體己二腈是通過電解合成的；鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法；②機械工業要用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來完成部件的表面精整；③環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物；④化學電源；⑤金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題；⑥許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理；⑦應用電化學原理發展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段，目前電化學技術已被廣泛應用于處理鉻,氰化物,降解EDTA,甲醇,硝基苯,酚類化合物,氯化有機物,染料廢水,垃圾滲透液等。二電化學的發展在1663年，德國物理學家OttovonGuericke創造了第一個發電機，通過在機器中的摩擦而產生靜電。這個發電機將一個巨大的硫球放入玻璃球中，并固定在一棵軸上制成的。通過搖動曲軸來轉動球體，當一個襯墊與轉動的球發生摩擦的時候就會產生靜電火花。這個球體可以拆卸并可以用作電學試驗的來源。在17世紀中葉，法國化學家CharlesFrançoisdeCisternayduFay發現了兩種不同的靜電，即同種電荷相互排斥而不同種電荷相互吸引。DuFay發布說電由兩種不同液體組成："vitreous"(拉丁語”玻璃“)，或者正電；以及"resinous",或者負電。這便是電的雙液體理論，這個理論被17世紀晚期BenjaminFranklin的單液體理論所否定。1781年，查爾斯.奧古斯丁

庫侖

(Charles-AugustindeCoulomb)在試圖研究由英國科學家JosephPriestley提出的電荷相斥法則的過程中發展了靜電相吸的法則。1791年伽伐尼發表了金屬能使蛙腿肌肉抽縮的“動物電”現象，一般認為這是電化學的起源。1799年伏打在伽伐尼工作的基礎上發明了用不同的金屬片夾濕紙組成的“電堆”，即現今所謂“伏打堆”。這是化學電源的雛型。在直流電機發明以前，各種化學電源是唯一能提供恒穩電流的電源。1834年法拉第電解定律的發現為電化學奠定了定量基礎。19世紀下半葉，經過赫爾姆霍茲和吉布斯的工作，賦于電池的“起電力”(今稱“電動勢”)以明確的熱力學含義；1889年能斯特用熱力學導出了參與電極反應的物質濃度與電極電勢的關系，即著名的能斯脫公式；1923年德拜和休克爾提出了人們普遍接受的強電解質稀溶液靜電理論，大大促進了電化學在理論探討和實驗方法方面的發展。20世紀40年代以后，電化學暫態技術的應用和發展、電化學方法與光學和表面技術的聯用，使人們可以研究快速和復雜的電極反應，可提供電極界面上分子的信息。電化學一直是物理化學中比較活躍的分支學科，它的發展與固體物理、催化、生命科學等學科的發展相互促進、相互滲透。在物理化學的眾多分支中，電化學是唯一以大工業為基礎的學科。它的應用主要有：電解工業，其中的氯堿工業是僅次于合成氨和硫酸的無機物基礎工業；鋁、鈉等輕金屬的冶煉，銅、鋅等的精煉也都用的是電解法；機械工業使用電鍍、電拋光、電泳涂漆等來完成部件的表面精整；環境保護可用電滲析的方法除去氰離子、鉻離子等污染物；化學電源；金屬的防腐蝕問題，大部分金屬腐蝕是電化學腐蝕問題；許多生命現象如肌肉運動、神經的信息傳遞都涉及到電化學機理。應用電化學原理發展起來的各種電化學分析法已成為實驗室和工業監控的不可缺少的手段。應用電化學技術治理環境污染,通過氧化或還原除去對環境有害的物質,對環境起到間接的保護作用,在國內外都得到了重視電化學技術處理環境污染物的基本方法[1]電化學技術處理環境污染物常用的基本方法有電化學氧化、電化學還原、光電化學氧化、電滲析、電吸附、電凝聚、電沉積、電化學膜分離等。三電化學水處理基本方法3.1電絮凝法電絮凝法是利用鋁或鐵陽極在電流作用下溶解生成鋁或鐵的氫氧化物，凝聚水中的膠體物質從而使水獲得凈化的一種電化學方法。電絮凝主要包含3個過程：①犧牲陽極電解氧化產生混凝劑；②水中膠體顆粒的脫穩；③脫穩膠體形成絮凝體。在直流電壓作用下，電絮凝過程的反應如下所述。在陽極首先鋁或鐵電極氧化溶解為金屬離子（Al－3e－→Al3+），如果在堿性條件下則生成氫氧化鋁[Al3++3OH－→Al(OH)3]，或在酸性條件下發生[Al3++3H2O→Al(OH)3+3H+]反應。此外，在陽極還發生氧氣析出（2H2O－4e－→O2+4H+），在陰極析出氫氣（2H2O+2e－→H2+2OH－）。在這里，氧氣和氫氣的析出具有氣浮作用。電極有板式和其它形式，以單極式或復極式聯結。鋁和鐵離子是很有效的固體懸浮物絮凝劑，鋁離子能形成大的Al-O-Al-OH網狀物，可以化學吸附F－離子這樣的污染物。鋁通常用于水處理，鐵常用于廢水處理。電絮凝的優點在于絮凝效率高、操作簡單、相對低的費用和可自動化操作電流密度氯離子、pH值、溫度以及供電方式都對電絮凝的結果產生影響.3.2電化學氧化（electrochemicaloxidation）電化學氧化法主要用于有毒難生物降解有機廢水的處理利用電化學方法,可使有機污染物在電極上發生電化學反應,完全降解為CO2和H2O,或不完全降解,即只將不可降解物質轉換為可降解物,然后再進行生物處理,最終將有機物徹底降解轉化為無害物質。，根據不同的氧化作用機理，可分為直接陽極氧化、間接陽極氧化。直接氧化是指利用陽極氧化反應直接把污染物變成無害物質,在生物難降解(如苯酚等)有機污染物的處理中,能發揮有效的降解作用。間接氧化分為陽極間接氧化和陰極間接氧化,陽極間接氧化是指利用陽極氧化反應產生具有強氧化作用的中間物質或發生陽極反應之外的中間反應,使污染物最終被氧化,轉化為無害物質,例如,在陽極生成壽命短、氧化性極強的活性物質,已有研究表明這類短壽命物質包括e-1(溶劑化電子)、HO·、HO2·、O2·等自由基,它們可以分解污染物質,通過溶液中的可再生氧化還原電對進行有機污染物的氧化還原去除,如:CN-+2OH-+2e-1→CNO-+H2O(1)陰極間接氧化是指利用陰極還原反應產生具有強氧化作用的中間物質,例如,利用陰極還原為H2O2,而后生成HO·,進而氧化有機物的方法出現,可用于處理苯酚、苯的衍生物(苯胺類)、HCHO及CN-。為加速HO·的生成,可在被處理液體中加入少量Fe2+,發生下面的Fenton反應:Fe2++HO→OH-+HO·+Fe3+(2)同時利用陰極與陽極產生的強氧化劑來氧化降解有機污染物的技術稱為成對電氧化技術,成對電氧化技術成為近來研究的熱點。王愛民等采用成對電氧化技術降解酸性紅B染料廢水,實表明陰極室中TOC和CODcr去除率分別達到71.70%和56.40%,而陽極室中去除率分別為25.15%和27.57%。高含鹽染料廢水的處理一直是環境界的一個難題,把電化學法應用到高含鹽染料廢水的處理上,是一項很大的突破。魯秀國等利用電化學法對高含鹽的酸性紅B染料廢水進行處理,實驗表明電化學法對廢水的色度和CODcr具有良好的去除效果,主要是Cl-在電解過程中的間接氧作用,同時也包括電極表面的直接氧化作用。近年來開發的活性碳填充電極電解氧化法已經應用于有機廢水的深度處理工藝,該工藝在電極板之間填充活性碳顆粒作為微電極,在外電場作用下,吸附在活性碳表面上的有機物分子被電解氧化,該法集吸附、電化學氧化于一體,如有機負荷、電流密度等操作條件控制得當,吸附和電化學氧化可達到自身平衡,無需單獨設置活性碳再生裝置。3.3電化學還原（electrochemicalreduction）陰極電化學脫氯有毒氯代有機物不僅可以通過陽極氧化法被·OH分解，還可以通過陰極還原脫氯，反應過程如下：RCl+H++2e－→RH+Cl－析氫可導致反應電流效率降低。Schmal等對電化學方法處理鹵代有機化合物廢水的可行性進行了評價。有機物濃度較低（100×10－6）時，處理廢水的能量消耗在可接受的10～100kW·h/m3范圍。脫氯的還原產物毒性很低，提高了廢水的可生物降解性。3.4電鍍廢水處理電化學水處理技術的基本原理電化學水處理過程包括兩個方面:一是使污染物在電極上發生直接電催化反應而轉化的“直接電化學過程”,二是利用電極表面產生的強氧化性活性物種使污染物發生氧化還原轉變的間接電化學過程.這兩個過程均伴有放出H2與O2的副反應,電流效率的高低與析氧、析氫的程度密切相關,但通過電極材料的選擇和電位控制可以減少電流的析氧損失,提高電流效率[2].電鍍廢水中常含有鋅、鎘、鎳、銅等重金屬離子及氰化物等毒性較大的物質，既造成資源浪費又嚴重污染環境。通過電滲析-離子交換-電滲析組合工藝，既能實現資源的回收利用，又可以減少污染的排放。日本一家精煉鋼廠的含硫酸鎳的硫酸廢液，利用日本旭化成公司生產的具有特殊性能的離子交換膜電滲析裝置，實現了鍍鎳廢水的閉路循環。徐傳寧等用電滲析技術處理含鉻電鍍廢水，有效地凈化了漂洗廢水，使Cr6+離子得到回收，廢水中的Cr6+離子濃度達到國家廢水排放標準。3.5光電催化光電催化是指通過吸收可見或紫外光中的能量,并通過產生電子2空穴對,儲存多余的能量,使得半導體粒子能夠克服熱動力學反應的屏障,作為催化劑使用,進行一些催化反應,例如:半導體粒子+hv+→h+vb+h-cb2(CN-+H2O+2h+vb→2H++CNO-)顯然,維持較高的電子2空穴濃度是光催化反應的前提。半導體材料中電子和空穴有較強的"復合"傾向,為避免電子、空穴的復合,在光催化體系中外加電流,避免電子2空穴的重新結合,維持半導體材料中的空穴濃度。而空穴具有很強的得電子能力和強氧化性,可奪取半導體表面的有機物或溶劑中的電子,使原本不吸收入射光的物質被活性氧化。因此,光電催化可以對許多有機物如42氧酚、三氧乙酸、對苯二酚、乙醇等有機物進行降解,把對目標污染物的轉化,對水生生物產毒害作用的影響等研究卻不夠,所以對超聲電化學的機理研究和反應器的設計是今后的研究熱點。3.6三維電極電化學技術三維電極又名三元電極[3](threedimensionelectrode),是一種新型的電化學反應器,也叫粒子電極或床電極三維電極可分為固定床電極、流化床電極、多孔電極。目前在理論和應用方面的研究正在起步。從應用角度出發，三維電極更具爭力。三維電極是一種新型的電化學反應器,它是在傳統二維電解槽電極間裝填粒狀或其它碎屑狀工作電極材料,并使裝填工作電極材料表面電,成為新的一極,即第三極,在工作電極材料表面能發生電化學反應三維電極法處理印染廢水的電解反應是一個動態的吸附2電解2脫附的過程,反應器中的活性炭炭粒具有巨大的比表面積[4],很強的吸附能力,又是電的良導體,在直流電場中,被絕緣性顆粒互相隔開的炭粒因感應帶電而使兩側呈正負兩極,形成微小的電解槽3.7電氣浮[5]電氣浮工藝是一種運用電化學方法去除固態顆粒、油污的廢水處理單元操作方法。其上浮原理是通過電解水產生氫氣、氧氣和氯氣（有氯離子時）攜帶廢水中的膠體顆粒、油污共同上浮，達到分離凈化的目的。電氣浮工藝既可單獨用于分離水中的有害成分，也可作為單元操作與化學混凝、電絮凝、pH值調節法、過濾技術等聯合使用。采用化學混凝-電氣浮工藝可一次性去除廢水中污染物，去除率高。3.8電滲析[6]電滲析是膜分離技術的一種，它是將陰、陽離子交換膜交替排列于正負電極之間，并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽（淡化）和濃縮兩個系統，在直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性，把電解質從溶液中分離出來，從而實現溶液的濃縮、淡化、精制和提純。目前電滲析技術已發展成一個大規模的化工單元過程，在膜分離領域占有重要地位。工業廢水的處理是電滲析的主要應用領域之一，主要有廢堿、廢酸回收，電鍍工業漂洗水的處理，有害金屬的回收處理等。目前研究最多的是單陽膜電滲析法[7]。3.9微電解(內電解)法[8]鐵屑(較多使用鑄鐵屑)為鐵-碳合金,當浸沒在廢水溶液中時,就構成一個完整的微電池回路,形成一種內部電解反應,這就是微電解;而在鑄鐵屑中再加入惰性碳(如石墨、焦炭、活性炭、煤等)顆粒時,鐵屑與炭粒接觸,形成的大原電池則是內電解法.微電解工藝用于染料廢水的處理[9],對含偶氮染料活性藍和絡合染料活性綠及二硝基氯苯等難生化降解物質的溶液進行微電解處理后,其脫色率達93%以上,COD去除率達50%以上,BOD5/COD值增加,大幅度提高了廢水的可生化性,減輕了后續處理工藝的負擔.3.10電化學方法清潔空空氣[10]空氣中的污染物大多是電活性的,因此可以用電化學方法除去空氣中的污染物。電化學方法清潔空氣包括兩個步驟:使氣體中的有害物質溶解在液體中;用電解法將其轉化為無害的物質。如將Cl2還原為Cl-,將N2O氧化為HNO3,SO2氧化為H2SO4。這種氧化或還原可能直接發生在電極上,或是通過間接電氧化(還原)來完成。如用Br2作為媒介氧化SO2:SO2+Br2+2H2OH2SO4+2HBr應用電化學方法將HBr轉化為Br2和H2:2HBrBr2+H2此外,含有H2S的污濁空氣也可用同樣的方法。總結隨著電化學技術的不斷完善和發展,新電極材料、膜、電解液、反應器結構的開發與應用,各種清洗和再生電極表面的技術得到改進,花費少、使用方便的電化學敏感器的深入研發,電化學與各種微型化、自動化技術的聯用,電化學技術必將在環境科學領域中充分發揮其優勢,具有更多的實際應用價值和良好的發展空間。電化學方法處理有機廢液的過程與電極材料、電極表面結構及負載情況、電解質溶液組成以及濃度等因素相關。其中電極材料是最重要的因素,不同的電極材料具有不同的特殊催化特性,可以產生不同的反應或不同的氧化中間物質,因此電極材料的開發是電化學方法處理有機廢液技術的關鍵[11]。近年來電化學處理廢水的技術得到了飛速發展,給廢水處理帶來了新的活力,并使處理技術發生了變革。致使環境保護有啦突飛猛進的進步，環境情況有所改觀。有毒難降解有機廢水處理方法一直是困擾環境保護領域的難點問題。由于可有效處理難生物降解有機廢水、操作簡便易實現自動化、環境兼容性好，因此電化學氧化技術是目前電化學廢水處理技術的重要發展方向。從發展有毒難降解有機廢水電化學氧化處理技術的實際問題出發，開展基礎和應用研究具有重要的科學意義和應用前景，其核心內容是但是新型電催化陽極、電化