第52卷第6期                              辽    宁    化    工                                Vol.52，No. 6 2023年6月                              Liaoning Chemical Industry                                June，2023
基金项目： 国家水体污染控制与治理科技重大专项（项目编号：2018ZX07601-001）。
三维电极-电Fenton 技术
reactor 性能处理难降解废水研究进展
许嗣鼎，高崇
（沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）
摘      要： 在实际处理工艺中，常将三维电极技术和电Fenton 法结合使用处理废水。三维电极-电Fenton 法可以产生大量的氧化基团来提高氧化能力，体系中的三维粒子电极可以加快反应的速度，对废水中的污染物可以高效的去除。该方法改善了电Fenton 法反应电流较小，电流利用率较低等问题，是目前研究较多的一种新方法，在难降解废水处理领域有良好的应用前景。  关  键  词：Fenton 法；三维电极；电Fenton 法
中图分类号：TQ01    文献标识码： A    文章编号： 1004-0935（2023）06-0857-03
1  Fenton 氧化法
Fenton 试剂是该方法的核心，由亚铁类的盐和过氧化氢组成。该方法反应过程温和，操作简便且容易控制，适合处理许多难降解的废水。大量应用于工业印染制剂废水、垃圾渗滤液废水和焦化废水的处理[1]。在该方法的基础上引入外加光强化、微波强化和超声强化等技术，可以形成产出羟基自由基更高效的类芬顿体系。王平[2]使用芬顿法处理河北某园区内的染料废水，处理结束后废水COD 降低至15.6 mg/L ，效果良好。付蓓[3]通过制备含铜催化剂和Fenton 法联用，使用多相芬顿体系处理酸性大红废水，反应120 min 脱率达到98.6%。
2  电Fenton 技术处理难降解废水研
究进展
2.1  反应原理
电Fenton 氧化法是普通Fenton 法的升级方法。科学工作者H. J. H Fenton 在早期一次偶然试验中发现了Fenton 试剂，发现该方法氧化性优异，由此便产生了Fenton 氧化法[4]。通过在传统的Fenton 法基础上引入电催化，产生了电Fenton 技术，相比普通Fenton 法，电Fenton 法不需外加投加过氧化氢，且反应速率快，处理废水效果好，产生二次污染的情况较低。
电Fenton 法的基本原理：利用曝气使体系内产生溶解氧，并在在阴极表面生成H 2O 2，通过外加投加二价铁盐，二价铁和H 2O 2发生体系内的芬顿反
应，如式(1)，(2)所示，后生成的Fe 3+可以在电催化体系内通过化学反应再被还原成Fe 2+，如式(3)，持续的与H 2O 2发生Fenton 反应，实现体系内反应的循环进行。
O 2+H +→H 2O 2              （1） H 2O 2+Fe 2+→OH -
（2）
Fe 3++e -
→Fe 2+              （3）
此方法应特别注意pH 的控制，应将pH 控制在3左右，在碱性环境下，O 2会在阴极发生反应生成OH -，这样会阻碍Fenton 反应的进行，影响降解效果。
反之也不能将体系的pH 调至过低，在过酸性的环境下会和H +发生副反应生成H 2O ，使得装置内·OH 数量大幅度减少，对废水的降解效果变差，如式(4)。
·OH+H ++e -
→H 2O          （4）
在处理其他难降解废水方面，董宏[5]使用电Fenton 法处理船舶油废水，对COD 的去除可以达到80%左右，对废水中油量的去除可达到90%。毕强 等[6]进行高浓度兰炭废水处理试验，使用不锈钢和石墨为二维电极的电Fenton 技术，在最佳试验条件下，处理废水240 min 后，对COD 的去除可达到78.62%，为该废水处理提供了新的途径和理论基础。
3  三维电极技术处理难降解废水研究
进展
由近几年的研究可知，电催化法由于其快速高
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效的处理效果成为近几年的研究热点，经过研究改进在电催化氧化技术的基础上，通过向体系内加入三维电极，形成新型三维电极电催化体系，开发出了一种新型的高级氧化技术。三维电极概念的首次出现是由Backhurst提出[7]。该技术是在传统的二维电极电催化基础上填充三维电极，在阴阳两极间形成表面带电的第三极，这种体系突破了二维电极电流效率低、传质速度慢和能耗高的局限性，三维电极有着更大的比表面积和更小的传质距离，在水处理中有着较好的应用前景[8-9]。
3.1 三维电极法机理
三维电极体系的反应机理如图1所示，在整个体系内的阴阳两极间存在着三维粒子电极，每个三维粒子电极都成为了有阴阳两极的复极性粒子，这样便提高了废水的处理效果[10]。
图1 三维电极技术反应原理图
按照是否有极性可分为单极性反应体系与复极性反应体系[11-13]。通常在复极性反应器中，由于三维电极带电，会产生三种不同的电流，有反应电流，这是体系正常运作所需要的电流，还分布着旁路电流以及阻碍反应进行的短路电流，如图2所示。
图2 装置内电流示意图
废水中的污染物必须在反应电流上才可以得到去除，在反应时要避免短路电流的出现，为了减少短路电流的存在，在反应时可以向体系内加入绝缘性物质，如石英砂或玻璃珠等，这样可以增大反应电流，提高去除效果。
3.2 三维电极技术处理难降解废水研究现状
三维电极材料性能是否优异是影响处理效果的重要因素，筛选或制备出性能优异稳定的三维电极也是该方法的重要研究方向。常用作为三维电极的物质有活性炭、泡沫镍、石墨烯、沸石和黄铜矿等[14-15]。对三维电极的改进可以在三维电极表面负载金属氧化物催化剂或进行涂膜制备复合型三维电极，也可投加其他绝缘物质提高三维电极的性能。
活性炭被广泛用于三维电极材料的研究中，是一种最常用的三维电极材料。李亮等[16]进行处理氨氮废水试验时，额外投加普通活性炭，在经过2.5 h 电解后，氨氮去除率已达到99%。Wei L等[17]通过混合活性炭和陶粒制成三维电极，结果表明混合后的去除效果比单一的颗粒要好。李程等[18]利用三维电催
化技术处理含钴、锰等重金属废水，使用柱状活性炭为粒子电极并掺混一定量的绝缘粒子，反应60 min后钴离子和锰离子的去除率分别达到97.1%和95.0%。
4 三维电极-电Fenton技术处理难降
解废水研究进展
4.1 基本原理
在不断的研发改进中，三维电极电催化技术不断被人们改进升级，与Fenton技术进行联合使用成为了近年的热门研究方法。在Fenton法中加入电催化，并且额外投加三维电极，就形成了三维电极-电Fenton技术。在三维电极体系中额外加入Fe2+，或者通过铁阳极产生Fe2+，使用曝气装置在阴极进行连续曝气，使氧气进入反应器，连续大量的O2围绕阴极，在极板周围溶液中产生大量的H2O2,，并分散在溶液中，这时体系中先前存在的Fe2+便可以和大量的H2O2在试验装置内产生芬顿试剂反应，促进羟基自由基更快的产生，增快反应速率，在处理废水时可进一步提高处理效果。反应机理见图3。
图3 三维电极电Fenton技术基本原理图
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4.2三维电极-电Fenton法在水处理中的应用研
究现状
该方法在水处理中应用广泛，对该方法的改进强化一般包括两个方面，一是在三维电极材料方面进行改进，研究制备性能优异的粒子电极，二是通过外加强化与其他方法进行联用，如外加超声强化、光强化和微波强化等，但外加强化由于使整体工艺较为复杂且成本较高，在水处理领域中推广使用较少，通常采用第一种强化方式，制备性能更好更稳定的粒子电极，来进一步提高对废水污染物的去除率。
吴娜娜等[19]利用三维电极-电Fenton技术处理孔雀石绿染料废水，使用3 mm柱状活性炭和纳米铁材料制作成新型三维电极，结果显示，脱率可以达到91.97%，COD去除率也有70.61%，符合排放要求。李晓慧[20]降解亚甲基蓝废水，投加钢渣粒子作为三维电极，并加入芬顿试剂，循环5次以上的钢渣粒子电极对亚甲基蓝染料的降解率仍高于80%，且该方法处理中性染料、直接染料和活性染料时均能达到优良的去除效果。
5 结束语
通过对该技术方法国内外研究现状的分析，还有部分需要改进和存在的问题，具体如下：1）通过改性
等方式制备出性能更优异的三维电极是该技术的研究方向，制备的三维电极需要有优异的性能且廉价易得。
2）单独使用电Fenton法处理难降解废水效果具有一定的局限性，利用三维电极法和电Fenton法联用的方式处理难降解废水的研究较少，尤其对染料废水的处理，需要在该方向继续进行试验研究。参考文献：
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Research Progress in Treatment of Refractory Wastewater
by Three Dimensional Electrode-Electro Fenton Technology
XV Si-ding, GAO Chong
（School of Municipal Administration and Environmental Engineering,
Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）
Abstract: In the actual treatment process, three-dimensional electrode technology and electric Fenton method are often combined to treat wastewater. The three-dimensional electrode-electric Fenton method can generate a large number of oxidation groups to improve the oxidation capacity. The three-
dimensional particle electrode in the system can speed up the reaction speed, and effectively remove pollutants in the wastewater. This method improves the problems of low reaction current and low utilization rate of electric Fenton method. It is a new method that has been studied more at present and has good application prospects in the field of refractory wastewater treatment.
Key words: Fenton method; Three dimensional electrode; Electric Fenton method

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