综述：对用于废水处理的三维电极系统中颗粒电极的批判性综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A critical review of the particle electrode in three-dimensional electrode system for wastewater treatment

　　

吴振宇|李飞月|邹海明

安徽科技大学资源与环境学院，凤阳233100，中国

摘要

三维电化学系统（3DES）是一种有前景的废水处理技术，近年来受到了广泛关注。3DES的核心是颗粒电极（PE），它在去除废水中的污染物方面发挥着关键作用。在3DES中，添加PE显著增加了反应界面面积和传质效率，从而提高了处理效果并降低了能耗。此外，PE还可以作为微生物附着的载体，通过电能和微生物的协同作用实现污染物的有效降解。本文系统总结了近年来PE在废水处理领域的进展，深入分析了PE降解污染物的机制，全面总结了制备PE所用的材料，并详细描述了PE的制备方法。同时，讨论了PE在废水处理中的应用前景和挑战，并指出了未来的发展方向。该综述为推动PE在废水处理技术的发展提供了宝贵的参考。

引言

随着工业化和城市化的快速发展，废水的排放量逐年增加，给生态环境和人类健康带来了严重挑战[1]。废水，尤其是工业废水，含有大量难降解的污染物，是环境污染的主要来源[2]。如果这些废水未经有效处理直接排放，将导致水污染加剧、生态系统失衡，并可能危害人类健康[3]。因此，废水处理技术的研究、开发和应用已成为环境保护和实现可持续发展目标的关键环节。

传统的生物处理方法成本低廉、技术成熟且应用广泛，但在处理难降解废水方面效果有限。近年来，芬顿氧化、电催化氧化和臭氧氧化等废水处理技术发展迅速[4]。其中，电化学技术因其在污染物分解方面的广泛适应性、操作简便性、占地面积小以及设备简单等优点，在处理难降解废水方面表现出显著优势[5],[6]。然而，传统二维平板电极反应器的传质限制问题难以有效解决[7]，高操作电压还会引发水解等副反应，增加处理成本[8]。为应对这些挑战，三维电极（即颗粒电极PE）的研发解决了这些问题，并为其工程应用奠定了基础。三维电化学系统（3DES）是通过在传统二维电极系统（2DES）的电极之间填充导电颗粒构建的[9]。作为3DES的核心组件，PE的研究和应用近年来取得了显著进展（图1a）。基于此，本文利用VOSviewer对2001–2025年发表的文献进行了系统关键词聚类分析，阐明了PE在废水处理中的当前应用趋势和研究前沿（图1b）。

过去十年中，许多研究者从不同角度研究了PE。秦等人从整体过程的角度总结了三维电极反应器（3DERs）的反应机制、关键影响因素及实际工程应用[10]。王等人系统回顾了三维生物膜电极反应器（3DBERs）的研究进展和前景，强调了PE与微生物之间的关系[11]。李等人研究了3DER在处理难降解废水中的反应机制、电极材料及实际应用效果[12]。以往的研究主要集中在3DES整体上，提供了广泛而全面的分析。然而，这些研究尚未对PE作为独立研究对象进行系统和深入的分析，也未系统探讨其功能机制、材料体系及制备工艺。此外，大多数现有研究分别讨论了3DER和3DBER，忽略了两者之间的技术演变关系。本文系统总结了PE在废水处理中的应用，重点介绍了其原理、材料和制备方法，并讨论了其在废水处理中的前景和挑战，提出了未来的研究方向。我们相信，这篇及时的综述将有助于提高人们对PE研究的关注，并促进其在环境修复中的应用。

章节摘录

三维电化学系统（3DES）简介

电化学方法在废水处理中得到广泛应用。然而，传统的二维电极存在有效电极面积小、反应器体积小以及单位处理能力低等局限性。1969年，Backhurst等人提出了三维电极（也称为PE或床电极）的概念[13]。具体而言，通过在二维电极系统（2DES）中添加导电填料，在阴极和阳极之间形成了第三电极。1973年，Eardley等人进一步发展了这一技术

颗粒电极材料

PE是3DES的核心组成部分，既可作为电化学反应的微电极，也可作为生物膜和催化剂的载体。常用的PE材料包括碳基材料、金属基材料、碳/金属复合材料、导电聚合物材料以及其他低成本材料（如工业废弃物、沸石和陶瓷）（表1）。这些材料在电导率、吸附能力、催化活性和稳定性等方面存在显著差异

颗粒电极的制备技术

目前有多种制备PE的方法。本文概述了七种典型的PE制备方法（图4）。

环境应用

PE已被用于处理多种废水，包括染料废水、垃圾填埋场渗滤液、抗生素废水和焦化废水（表3）。

长期运行稳定性

PE的长期稳定性主要受电化学腐蚀、表面钝化及活性成分浸出等因素影响。然而，现有研究大多基于短期批次实验，缺乏对长期连续运行过程中电极失效行为的系统理解。未来的研究应致力于开发兼具高导电性、强抗腐蚀性和抗钝化能力的新型PE

结论

在3DES中，PE通过电场极化形成微电解池，增强自由基生成并缩短传质过程，从而提高废水的氧化/还原效率。此外，PE还可以负载微生物，通过电能和微生物的协同作用实现污染物降解。本文全面综述了PE的工作原理、制备材料、制备方法等

CRediT作者贡献声明

李飞月：撰写 – 审稿与编辑。邹海明：撰写 – 审稿与编辑、监督、概念构思。吴振宇：撰写 – 原稿撰写、资金获取、概念构思。

在撰写本文过程中，作者使用了DeepSeek工具来提升英文写作水平。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

安徽省教育厅重点项目（项目编号：2025AHGXZK31256）和中国安徽科技大学人才引进项目（项目编号：ZHYJ202207）的支持。