COD和TN成对电解过程的电位调控机制

The reduction of chemical oxygen demand (COD), ammonia (NH3-N) and total nitrogen (TN) is the important content for wastewater treatment in the Chinese 13th five-year plan. The targeted pollutants in wastewater can be removed effectively by combining cathodic reduction with anodic oxidation (so-called paired electrolysis). The reactive potential and its control are the key to the efficient transformation of pollutants in electrochemical process. Due to the phenomenons of low energy efficiency, over-oxidize and over-reduction in electrochemical wastewater treatment, situ infrared spectroscopy will be used to reveal the electro-reaction mechanism of COD, NH3-N, TN on molecular level, and the relationship between potential and reaction process of target pollutant; chromatographic analysis and electrode reaction kinetics will be integrated to investigate the effects of macroscopic fluid modes and potential control on degradation rate and current efficiency, and establish the reaction modes of COD and TN; the way of back-propagation in artificial neural network (BP-ANN) will be used to build the nonlinear correlation between efficiency and parameters in complicated electrolytic process. The results will provide theoretical support on the precision optimization control of pollutants removal in electrochemical process.

化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和总氮（TN）减排是“十三五”废水处理提标的重要内容，电化学基于阳极氧化和阴极还原的成对电解反应，可有效减少外排尾水此类目标污染物含量，而反应电位及其控制是电化学过程污染物高效转化的关键。项目针对废水电化学处理过程普遍存在的能效低、过度氧化或还原等问题，采用电化学原位红外光谱法，阐明分子水平COD、NH3-N和TN的电反应机理，以及反应电位与目标污染物反应历程之间的关系；结合色谱分析和电极反应动力学，考察宏观流体模式、反应电位控制等对目标污染物降解速率和电流效率的影响规律，确立COD和TN成对电解的反应模式；运用人工神经网络的反向传播方法（BP-ANN），开展基于电位调控的COD和TN成对电解过程数值模拟，建立成对电解复杂动态过程污染物去除效率、比能耗与多参数间的非线性关联，为废水电化学过程精准优化控制提供理论支撑。

本项目提出了用于同步实现阳极氧化COD/NH4+和阴极还原NO3-/NO2-的成对电解体系，并通过采用电化学原位红外光谱、色谱分析、电极反应动力学、人工神经网络的反向传播（BP-ANN）等方法，研究了分子水平COD、NH3-N和TN的电反应机理，开展了基于电位调控的COD和TN成对电解过程数值模拟，揭示了流体模式、电极电位对反应效率和产物选择性的影响规律，阐明了反应电位与目标污染物反应历程之间的关系，确立了COD和TN成对电解的反应模式。研究表明，当输出阴极电流密度为5.0 mA/cm2，阴阳极面积比为2：1时，阴阳极的电位（1.69 V和-1.30 V）最接近于各污染物的最佳反应电位（1.60 V和-1.26 V），COD和TN的去除率分为为91.9%和86.2%，电流效率可达82.3%。通过建立COD和TN成对电解过程的BP-ANN数值模拟得出，当电流密度为15 mA/cm2，初始pH为3，Cl-浓度为1500 mg/L时，COD和TN去除率最高。同时，通过对比原位红外光谱，色谱分析和电极反应动力学测试结果和BP-ANN模拟结果，分析发现，测量结果和模拟结果基本一致，并得出了电极反应动力学方程与传质系数，反应速率与比能耗，瞬时电流效率与平均电流效率。本研究提出的成对电解法有利于减少阴阳极上过度氧化/还原反应的发生，提高电流效率，且能够高效和稳定地处理实际废水，能耗较低，有效为废水电化学过程精准优化控制提供理论支撑。