高頻超脈沖三維半導體電極水處理反應器技術應用領域

· 高濃度有機廢水，難氧化降解廢水（化工、制藥）

· 含油廢水· 染料印染廢水

· 電鍍含鋅、鎳、鉻、銅等廢水

· 造紙廢水

· 養(yǎng)殖廢水

本技術既可以用作高濃度難降解有機污水的預處理，以破壞難降解有機物，提高污水的可生化性；也可用作污水生化處理后的深度處理，以確保污水達標排放或回用；還可直接用于油田采出回注水、電鍍污水、苦咸水等不需生化的水處理領域。同時，本發(fā)明維護方便、能耗低，與濕式氧化、臨界流體氧化、臭氧氧化、微波氧化等高效氧化法相比，投資少、效果更徹底。在環(huán)保國策的驅動下，在環(huán)保領域有巨大的市場契機，能顛覆當前垃圾滲濾液偽科學的處理工藝，在重金屬污染領域和高濃度高鹽度的化工污水行業(yè)有巨大的優(yōu)勢，已經在化工、制藥、油田壓裂液領域有成功應用案例，有顯著的社會效益和經濟效益。

污水處理的電化學處理方法的研究與改進，要在電源發(fā)生器、反應器結構、三維電極材料與配比3方面進行。極板易腐蝕，使用壽命短的問題，通過電極材料和配比能得以解決；能耗問題，通過電源發(fā)生器、反應器結構和三維電極材料與配比3者的協(xié)同作用能大幅度降低。電源發(fā)生器、反應器結構技術方案確定后，屬基本穩(wěn)定的因素。但是三維電極材料與配比，是復雜多樣的課題，要想達到最佳的處理效果，針對不同的水質狀況需要采用不同的材料和配比作為電極，這是三維電極水處理技術中的核心技術。在電極材料與配比的研究中，又分為通用材料和專用材料，專用材料要具體針對污水主要污染源進行研究開發(fā)。

高頻超脈沖三維半導體電極水處理反應器技術獲得發(fā)明專利,與常規(guī)電化學技術相比，改進了電源發(fā)生器、改進了極板材料及三維電極材料、改進了反應器結構，克服了極板腐蝕、填充電極板結、電化學處理技術能耗高等問題，有3個主要創(chuàng)新點： 1）電源發(fā)生器采用高頻超脈沖電源發(fā)生器，與常規(guī)電源發(fā)生器相比能耗降低60%以上；2）極板用載釕、銠、鈀等貴金屬涂層的鈦極板取代常規(guī)極板，徹底解決了極板消耗和腐蝕問題；3）填充的三維電極材料，用通用的改性活性炭填料和專用的特制半導體電極配比，半導體電極導電效率高，提高單元處理效率的同時降低能耗。

高頻超脈沖三維半導體電極水處理技術含阻垢防垢、氣浮、絮凝、吸附、殺菌、氧化、還原多種作用機理，利用了電流效應、高頻超脈沖效應、感應電磁場效應、半導體晶格效應，提高了處理效率，大幅度降低能耗。主要機理闡述為：

1、對活性炭進行酸堿改性處理，除去了活性炭中的酸堿可溶性物質，增大了活性炭的比表面積，改善了活性炭的吸附活性，提高了其在污水處理過程中的吸附能力和吸附速率，同時改性活性炭作為粒子電極時，其陽極面積相應增大，氧化能力增強，提高了粒子電極對吸附在其表面的難降解有機物的降解能力。2、燒結Al2O3-TiC復合電極，具有很強的硬度，與活性炭配合使用，彌補了活性炭松軟易碎的不足，同時，由于晶格活性強，在高頻超脈沖電流時，能瞬間將與其界面接觸的H2O激發(fā)成H·和·OH，H·變成H2微泡有氣浮作用，·OH具強氧化性對有機物產生作用。3、采用負載金屬改性，培燒環(huán)境下，其表面吸附的鈰鹽、銻鹽、錳鹽和錫鹽分解生成相應的氧化物，并與載體牢固結合在一起，在反應過程中基本無溶出，消除了催化劑流失和處理效果下降等現(xiàn)象。采用過渡金屬改性的活性炭、γ-Al2O3，可以發(fā)揮金屬氧化物的協(xié)同作用，充分利用電能和強氧化性的羥基自由基，更有效地氧化分解有機污染物。半導體理論解釋載Mn/Sn/Sb的γ-Al2O3半導體電極的電催化特性：無論是錳氧化物還是錫氧化物以及它們的復合氧化物都具有半導性，其導電性介于金屬和絕緣體之間，能加速電子轉移的反應．當它們被填充于主電極之間時。會受到靜電感應而使具有半導體性質的粒子電極兩端產生電勢差，使兩側呈現(xiàn)正負極，使每個顆粒與周圍的水都形成一微電解池，產生·OH氧化水中有機物。Mn和Sn的復合組分粒子電極催化性能更好，因為SnO2的定域態(tài)能級高于O2/H202電極電位，SnO2的定域態(tài)能級激發(fā)電子能夠直接傳遞給表面吸附O2，在固液界面發(fā)生O2(g) 2H 2e→H2O2 ；H2O2 e→OH ·OH ；且在有O2條件下在SnO2上能生成強氧化性的活性物種·O和·O，它們不僅停留在粒子表面，而且有向晶格內層擴散的傾向。MnO2和SnO2的晶格常數(shù)相近，兩者摻雜后易形成固熔體，增加了粒子電極的活性中心和空穴位，為晶格氧提供了較大的活動空間，提高了催化劑中晶格氧的活動與傳輸能力，有利于O2在粒子電極上轉變?yōu)椤、·O和·HO ，多種活性物種·OH，·O、·O和·HO2的存在，加快有機物的反應速率。從半導體理論解釋載CeO2/Sb2O5半導體活性炭電極的電催化特性： CeO2為螢石型非化學計量物質，是典型的缺氧氧化物，高速分散形成的溶膠被吸附后焙燒，能形成CeO2納米膜，而納米顆粒的晶面、晶棱、晶角上存在大量晶格缺陷及懸空鍵，CeO2與Sb2O5摻雜后，提高了正電極的導電能力，在陽極電動勢輔助作用下，螢石型CeO2納米膜中的晶格缺陷極易擴散和轉移，使得CeO2納米膜或納米顆粒有很高的活性，易于吸附帶自由基的活性氧種。自由基或活性氧種直接氧化吸附表面上的有機物，或CeO2晶格氧氧化有機物，而表面的活性氧種補充晶格氧達到再生效果；降解有機物中間產物與催化劑生成了某種形式的配合物，使反應活化能大幅下降導致其降解速度加快。

· 處理單元由電化學、膠體化學、物理化學等多元化機理作用，所以啟動快，去除率高

· 運行時無噪音，無臭味

· 出水無色度，幾乎沒有菌類，適宜作中水回用

· 自動化程度高，按鈕式操作

· 占地面積小，節(jié)約土地資源，同時基建費用低

· 運行費用低于普通工藝，具體能耗視水質而定

· 建設周期短，不大于30天· 運行穩(wěn)定，耐沖擊負荷，不受季節(jié)氣溫影響

· 設備體積小，移動便利

· 處理后污泥脫水容易，干化程度高，便于處理運輸專利證書2100433B

三維微電極采用MEMS微加工工藝中的光刻技術和ICP刻蝕技術制備而成. 三維微柱陣列電極大小為2mm×2 mm，其中單個微柱直徑為50 μm，微柱心心距為100 μm，微柱高度為100 μm. 該微結構的工藝流程如下： ①清洗硅基底（晶面（100），直徑101.6mm，厚度500 μm），甩光刻膠；②曝光及顯影，形成膠柱陣列；③ICP刻蝕出硅微柱陣列；④剝離，用去膠劑去除微柱陣列表面的光刻膠，清洗；⑤濺射，在微柱陣列表面濺射一層金作為微電極的集流體；⑥陰極電沉積，在微柱陣列表面沉積功能薄膜，制備三維微電極.所制備硅基三維微柱陣列SEM照片基于ICP等方法制備的三維微電極微柱陣列結構完整、側壁陡直，電極微柱間不易出現(xiàn)黏連、接觸等失效現(xiàn)象，這對于梳齒結構微器件的加工有重要意義 .

尤其需要指出的是，硅基微柱陣列底部由于光刻膠去除以及硅深刻蝕中的微掩模效應而產生了 “微草結構”，這些“微草”使三維微電極表面積提高，且其納米尖端成為后續(xù)氧化釕生長的“種子”，有利于電極儲能特性的進一步改善 。

美國科學家制造出一種擁有三維電極的新式“微電池”模型，與目前的商用電池相比，同樣功能的新電池僅為其十分之一，而再充電速度則為其1000倍。

半導體電極電容sen}icnndu}tur electrode capacitance半 導體電極的電容等效于若干種電容的組合，相當于不間的儲 電場所。其中包含溶液相的緊密雙層電容，半導體空間電荷 層的電容和表面態(tài)的電容。測定半導體電極的電容和電勢的 關系，可以確定半導體的導電類型、空Ib!電荷密度和固體表面 能級等特性。