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高塩分有機廃水とは、TDS 含有量が 3.5% 以上 (塩分含有量は 1% 以上) の有機廃水を指します。それは主に工業製品の収集と生産から来ています。塩分が多く、組成が複雑で、生分解が難しく、毒性と害があるという特徴があります。直接排出すると、土壌の圧縮や水質汚染が引き起こされ、最終的には環境の安全性に影響を及ぼします。現在、下水処理における有機物除去の主な方法は生物処理である。この方法は除去効率が高く、処理コストも低いが、生物学的方法は生分解性の低塩分有機排水の処理にのみ適しており、高塩分で分解しにくい有機排水には無力である。コーティングされたチタンアノードに基づく電気化学触媒技術の開発により、ほとんどの有機化合物が電極表面で酸化還元反応、付加反応、または分解反応を受けることが証明されており、これは有機汚染物質を高分解能で分解する電極触媒酸化法の理論的基礎を提供します。 - 塩分濃度の高い廃水。電気は電極触媒酸化プロセスのエネルギー源です。電力産業の急速な発展に伴い、電力不足は効果的に解決され、電極触媒酸化プロセスの大規模応用には良い条件が整っています。関連する研究により、電気触媒酸化陽極によって生成されるヒドロキシルラジカルおよび高価金属酸化物は廃水中の有機物を非選択的に酸化することができ、非常に強い酸化力を有するため、高塩分の有機廃水を効果的に処理できることがわかっています。
1. 現在、廃水処理に一般的に使用されている DSA 電極コーティングは、一般にルテニウム、イリジウム、タンタル、鉛、スズ、白金の 1 つ以上の金属酸化物で構成されています。
2. 高塩分有機物の処理原理コーティングされたチタン電極を備えた廃水
高塩分廃水を処理する場合、コーティングされたチタン電極に基づく電極触媒プロセスにより、電極上で直接電気分解と間接電気分解が実行されます。直接電解とは、廃水中の有機物をコーティングしたチタン電極の表面で直接酸化または還元し、廃水中の有機物の濃度を低減するプロセスを指します。直接電解は、陰極直接電解と陽極直接電解に分けられます。アノード直接電解とは、有機汚染物質がコーティングされたチタンアノードの表面で電子を取得し、直接酸化されて生分解性の小分子有機物になるか、直接二酸化炭素と水に変換されるプロセスを指します。陰極直接電解とは、有機物が陰極表面で電子を失い還元・分解される過程を指し、有機ハロゲン化物の脱ハロゲン化や重金属イオンの還元・回収に応用できます。電極の間接電気分解とは、コーティングされたチタン電極によって生成される酸化物質または還元物質を酸化剤、還元剤、または触媒として使用して、高塩分廃水中の有機物を生分解しやすく、毒性が低く、扱いやすい有機物を小さな分子に変換することを指します。案件。高塩分濃度の廃水中の有機物の除去は、主にアノードでの直接酸化プロセスと間接酸化プロセスで行われます。
高塩分排水中の有機物濃度（COD、NH3-Nなど）が高い場合には、主に直接陽極酸化が行われ、低濃度の場合には間接陽極酸化のみが行われます。直接陽極酸化は、電流反応によって陽極表面に水分子が放出され、ヒドロキシルラジカルが生成されます。ヒドロキシルラジカルの酸化電位は2.8Vです。それは本質的に強力な酸化剤であり、酸化においてはフッ素に次ぐものです。廃水中の有機物を選択せずに酸化できます。次に、アノード近くの有機物はヒドロキシルラジカルによって直接酸化され、除去されます。間接酸化は、電解酸化プロセス中に電流の作用によって水中の塩化物を還元して、ClO-、高価金属イオンなどの強力な酸化剤を生成することです。これらの酸化剤は、有機物を酸化して除去する強力な能力も備えています。物質であり、高塩分廃水中の有機物を酸化する可能性があります。
高塩分の有機廃水には塩分が多く含まれるため、導電性が高く、電極触媒システムの電流利用効率が高く、コーティングされたチタン電極は強い親水性を示します。高塩分廃水と接触すると「表面水酸化」反応が起こり、その表面は酸化力の高いヒドロキシルラジカルの層で包まれ、アノード表面に吸着した有機物を酸化して除去します。一方、高塩分排水には塩素が多量に含まれており、間接酸化により塩素酸塩や次亜塩素酸塩も多量に生成します。これらの強力な酸化物質は、高塩分廃水中の COD およびアンモニア態窒素の濃度を効果的に低減します。
3. 高塩分廃水処理用のコーティングチタン電極の選択
コーティングされたチタン電極をベースとした電極触媒酸化プロセスにより高濃度の有機廃水を処理するプロセスでは、電極は電流伝導キャリアであるだけでなく、有機物除去反応の触媒としても機能します。電極コーティング材料の選択は、電極の電流伝導効率と触媒性能に直接影響します。電気触媒酸化プロセスにおける主な競合副反応は、アノード表面での酸素または塩素の析出です。アノードコーティングの酸素発生電位は、電極の触媒活性と正の相関があります。電着塗料の酸素発生電位が高いほど、触媒活性が高くなり、有機物の除去効率が高くなります。したがって、アノードを選択するための必要な条件は、コーティング材料が高い酸素発生電位を有する必要があることである。
現在、高塩分有機廃水に一般的に使用されている被覆チタン電極アノード材料は、Ti/SnO2.Sb2O3、Ti/PdO、Ti/RuO2.TiO2、Ti/RuO2.Ir2O3 です。
Ti/SnO2.Sb2O3 でコーティングされた電極材料は酸素発生電位が高いため、有機物の分解プロセスにおいてより高い触媒効率と除去効率を備えていなければなりません。関連する研究によると、Pt、IrO2、RuO2 などのアノード コーティング材料による有機物の酸化は電気化学的に変換される傾向があり、さまざまな脂肪酸やその他の小分子有機物が最終生成物となり、電流効率は低い;一方、SnO2とPbO2が負極材料として使用され、金属酸化物の表面に多数のヒドロキシルラジカルが吸着され、有機物を二酸化炭素や水などの無機物に完全に酸化することができ、電流効率が高くなります。
SnO2 および SbO2 金属酸化物でコーティングされたチタン電極は高い酸素発生電位を有し、アノード表面で生成されるヒドロキシルラジカルは有機物に対する酸化力が非常に高いため、高塩分の有機廃水の処理に適しています。近年、チタン被覆電極の触媒活性と電極寿命を考慮して、Ti/IrO2・Ta2O5/SnO2やTi/IrO2・Ta2O5/SbO2多次元被覆電極が開発されている。このタイプの電極は、最大 1.77 V の酸素発生電位、高い触媒活性、安定したコーティング性能、長寿命、および高い有機物除去率を備えています。重要な研究に推奨される高塩分廃水処理コーティングされたチタン電極として使用できます。
4. 高塩分有機廃水処理におけるコーティングチタン電極の応用
梁振海ら。は、熱分解によって調製された Ti/SnO2 電極を高塩分フェノール含有廃水を処理するために使用し、フェノール転化率 95.5%、電流効率 73.5% を達成しました。
Ti/PbO2 修飾電極を熱酸化によって調製し、Fe および Ni ドープ修飾電極とドープされていない電極を酸性フクシン溶液の処理に使用しました。実験の結果、3 つの電極による酸フクシンの除去率はいずれも 90% 以上であり、ニッケル修飾電極による酸フクシンの除去率は 93% にも達しました。
チタン基板と SnO2-Sb2O5 の間に IrO2 層を導入すると、TiO2 と SnO2 を同形にし、電極に対する TiO2 の不動態化効果を弱め、電極寿命を効果的に改善できます。修飾された電極を使用して、高塩分クロロフェノール廃水の電極触媒による劣化試験を実施しました。結果は、SnO2-Sb2O5触媒活性層とIrO2中間層の質量比が26のとき、除去効果が最も良く、TOC除去率が95%に達することができることを示した。
5. 高塩分有機排水処理におけるコーティングチタン電極の使用上の注意
フッ化物イオンは強い透過性と腐食性を持っており、チタン基材表面の二酸化チタン酸化膜やその他の金属皮膜酸化皮膜を腐食し、チタン電極表面の皮膜の剥離を引き起こし、電極寿命を著しく低下させる可能性があります。コーティングされたチタン電極を使用する前に、廃水中のフッ化物イオンの濃度を測定する必要があります。廃水中のフッ化物イオン濃度が 10 mg/L を超える場合、コーティングされたチタン電極に基づく電極触媒酸化プロセスを処理に使用すべきではありません。
電極の電流密度は廃水中の有機物の除去率に比例します。電流密度が大きいほど有機物の除去率は高くなります。ただし、電流密度が過剰になると電極が激しく加熱され、コーティングが剥がれやすくなり、電極の寿命が大幅に短くなります。高塩分の有機廃水の処理では、電流密度を 500-1500A/m2 に維持することが推奨されます。
パルス電源の異なる波形パルス電圧により、コーティングされたチタン電極の消耗を大幅に削減できます。適切なデューティ サイクルを選択すると、電極の寿命を延ばし、電極の不動態化を回避できます。
メッシュ電極は平板電極に比べて比表面積が大きく軽量であるため、電極コストを大幅に削減できます。同時に、電流伝導経路の分布が不規則であるため、電極の不動態化の可能性も大幅に低下します。
6. 結論
コーティングされたチタン電極の適用に基づく電極触媒プロセスには、簡単な操作、短いプロセスフロー、強力な適応性、迅速な反応、優れた処理効果、および二次汚染がないという利点があります。高塩分廃水の処理に大きな利点があり、幅広い応用の可能性があります。しかし、電極の不動態化が容易であること、コーティング材料が高価であること、寿命が短いこと、電流効率が低いことなどの問題もあります。高塩分廃水用のコーティングチタン電極の工業化を確実にするためには、以下の側面で研究を強化する必要があります。
(1) 電極の不動態化を回避するための電極コーティングの種類、使用方法、メンテナンス方法等の研究を強化する。
（２）希土類元素コーティング、一般遷移元素金属コーティング等の研究を強化し、コーティングチタン電極の製造コストの低減を図る。
（３）金属酸化物皮膜の研究を強化するとともに、電極の触媒活性を確保しながら電極寿命を向上させるために、有機物と金属酸化物の複合皮膜の研究も強化すべきである。
(4) コーティングチタン電極の理論研究と加工技術研究を強化し、電極の生産標準化を実現し、エンジニアリングの普及を促進する。
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