电化学水处理技术在硝基苯废水中的应用分析

一、引言

硝基苯（NB）作为一种典型难降解有机污染物，广泛存在于化工、制药及染料生产废水，其高毒性、致癌性及生物累积性对生态环境与人类健康构成严重威胁。传统硝基苯废水处理方法（如物理吸附、生物降解、化学氧化）存在处理效率低、二次污染风险高或成本昂贵等局限性。电化学水处理技术因其高效、环保、反应条件温和等优势，成为硝基苯废水治理领域的研究热点。该技术通过电极反应直接或间接氧化 / 还原污染物，无需添加化学试剂，且可实现污染物深度矿化或资源回收。

近年来，电化学技术的研究逐渐从单一工艺向多技术耦合发展。例如，电氧化（EO）技术通过阳极反应生成强氧化性自由基（如·OH）破坏硝基苯分子结构，而电还原（ER）技术通过阴极反应将硝基苯还原为低毒性中间产物（如苯胺）或直接矿化。此外，电 Fenton 技术通过耦合 Fenton 反应增强·OH 生成效率，三维电氧化技术通过粒子电极扩大反应界面提升传质效率，EO-ER 协同技术则通过整合氧化与还原过程实现污染物高效降解与资源化。然而，电化学技术的工业化应用仍面临电极材料成本高、能耗大及系统稳定性差等瓶颈问题。

二、EO 技术在NB 废水处理中的应用

2.1 二维 EO 技术

二维电氧化技术通过平面电极实现污染物直接氧化，其核心在于阳极材料的催化活性与电解液体系的设计。在硝基苯废水处理中，钛基掺硼金刚石（BDD）电极因其高析氧过电位和强氧化能力被广泛应用。研究表明，BDD 电极在电流密度为 50mA/cm² 时，可将硝基苯完全矿化为 C0₂ 和 H₂0 ，且处理过程中产生的羟基自由基（ (⋅⋅oH) ）可高效破坏苯环结构。然而，二维电极的传质效率受限于电极表面积与废水接触的局限性，导致高浓度废水处理时能耗显著增加。为优化性能，研究者通过引入纳米结构涂层（如 Pb0₂-Sn0₂ 复合电极）提升电极比表面积，使硝基苯降解率提高至 92% 。此外，二维电氧化技术常与臭氧氧化、超声波等工艺耦合，通过协同效应增强污染物去除效率。例如，在电氧化体系中加入臭氧可促进·OH 的生成，使硝基苯降解速率提升 30% 。尽管二维技术成熟度高，但其对高浓度废水的适应性仍需通过电极材料改性与工艺优化进一步突破。

2.2 三维 EO 技术

三维电氧化技术通过引入粒子电极或三维多孔结构，显著扩大电极 - 溶液接触面积，从而提升传质效率与处理能力。在硝基苯废水处理中，三维电极体系通常采用活性炭、石墨烯或金属氧化物颗粒作为粒子电极。例如，以 Ti/RuO₂-Ir0₂ 为阳极、活性炭为粒子电极的三维电氧化系统，在电流密度为 30mA/cm² 时，硝基苯去除率可达 95% ，且能耗较二维体系降低 40% 。三维结构的优势在于其可实现废水在电极内部的强制对流，减少浓差极化现象。研究者通过构建流化床三维电极反应器，使硝基苯降解效率进一步提升至 98% 。此外，三维电极的再生性能亦得到关注。例如，采用热再生法处理吸附饱和的活性炭粒子电极，可恢复其 90% 以上的吸附容量。然而，三维电极的工业化应用仍面临粒子电极流失、系统稳定性差等问题，需通过材料固定化技术与流场优化设计加以解决。

2.3 电 Fenton 技术

电 Fenton 技术结合电化学与 Fenton 反应，通过阴极还原 0₂ 生成 H₂O₂ ，阳极氧化 Fe²⁺ 再生催化剂，实现·OH 的持续生成。在硝基苯废水处理中，电Fenton 技术展现出高矿化率与低铁泥产量的优势。例如，采用碳毡阴极与石墨阳极的电 Fenton 体系，在 pH=3、电流密度为 10mA/cm² 的条件下，硝基苯降解率可达 96% ，且 COD 去除率超过 85% 。与传统 Fenton 法相比，电 Fenton 技术避免了 H₂O₂ 的储存与运输风险，同时通过电流控制实现反应的精确调控。然而，该技术对pH 的敏感性仍限制其应用范围。研究者通过引入非均相催化剂（如Fe₃0₄/ 石墨烯复合材料），将适用 pH 范围扩展至中性条件，并使硝基苯降解率维持在 90% 以上。

三、ER 技术在NB 废水处理中的应用

3.1 阴极材料

阴极材料在电还原技术中承担污染物还原或资源回收的关键角色。在硝基苯废水处理中，阴极还原主要通过直接电子转移或间接还原（如 H₂O₂ 生成）实现污染物转化。例如，采用碳纳米管修饰的钛阴极，在 -1.2V vs. SCE 电位下，可将硝基苯还原为苯胺，转化率达 85% 。阴极材料的性能受其导电性、比表面积及表面官能团影响。研究者通过引入氮掺杂石墨烯或金属纳米颗粒（如 Pd、Pt），显著提升阴极的催化活性与选择性。例如，Pd/N- 石墨烯阴极在硝基苯还原反应中表现出 90% 以上的转化率，且副产物生成量降低 30% 。此外，阴极材料的稳定性亦需关注。

3.2 电化学反应器

电化学反应器的设计直接影响 ER 技术的处理效率与工业化可行性。在硝基苯废水处理中，流动式电化学反应器因其传质效率高、操作灵活而备受关注。例如，采用 C-Flow 型反应器，通过连续泵入废水实现硝基苯的快速还原，处理量可达 10L/h. 。反应器的核心结构包括电极间距、流道设计及膜分离组件。例如，在三维多孔电极反应器中引入离子交换膜，可实现H 与OH 的定向迁移，从而维持体系 pH 稳定并提升电流效率。此外，模块化反应器设计亦展现出工业化潜力。

四、EO-ER 技术在NB 废水处理中的应用

EO-ER 协同技术通过结合电氧化与电还原过程，实现硝基苯的高效降解与资源回收。在硝基苯废水处理中，EO-ER 体系通常采用分室或分区设计，例如以 BDD 为阳极、碳毡为阴极的双室反应器。阳极产生的 ⋅ 0H 氧化硝基苯为小分子酸，阴极则将中间产物还原为无害物质。研究表明，在 EO-ER 体系中，硝基苯的矿化率可达98%，且能耗较单一技术降低 30% 。协同效应的机制包括：阳极氧化产物（如草酸）作为阴极还原的电子供体，或阴极生成的 H₂O₂ 参与阳极的间接氧化反应。例如，在电 Fenton- 电还原耦合体系中，硝基苯的降解速率较单一电 Fenton 技术提升 40% 。

五、结束语

电化学水处理技术在硝基苯废水处理中展现出显著优势，其高效、环保的特点契合现代工业废水处理需求。二维 / 三维电氧化技术通过电极材料与结构优化提升处理效率，电 Fenton 技术通过耦合反应实现污染物深度矿化，而阴极材料与电化学反应器的创新设计则为电还原技术的工业化应用奠定基础。EO-ER 协同技术通过整合氧化与还原过程，实现污染物的高效降解与资源回收。

参考文献：

[1]  电化学水处理技术的研究与应用 . 付文锋 . 工程建设与设计 ,2017(02)

[2] 电化学水处理技术发展综述. 颜会全; 李静萍. 化工时刊,2016(06)

[3]  电厂化学水处理中全膜分离技术的应用研究 . 姜在宁 . 中国设备工程 ,2021(14)

作者简介：贾利，女，1984 年3 月7 日，河北人，硕士研究生，目前职称：高级工程师，研究方向：电厂化学水处理设计