電芬頓技術(shù)在處理PPCPs廢水中的應(yīng)用

中圖分類號：069；X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1004-0935（2025）07-01255-03

藥品和個(gè)人護(hù)理用品（pharmaceuticalandpersonalcareproducts，PPCPs）是非常典型的一大類新污染物[1-2]，包括各種藥品、護(hù)膚品、洗漱用品、香水以及醫(yī)用顯影劑等。很多PPCPs具有生態(tài)毒性、內(nèi)分泌干擾性和生物累積性等。高級氧化技術(shù)（AOPs）是一種當(dāng)下高效的廢水處理技術(shù)，其核心原理是產(chǎn)生羥基自由基，利用羥基自由基將有機(jī)污染物及其中間產(chǎn)物礦化生成水和二氧化碳。高級氧化技術(shù)具有氧化效率高、氧化性強(qiáng)、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)。

1電芬頓技術(shù)的研究

電芬頓原理是利用氧化還原反應(yīng)，在通電的情況下能夠持續(xù)生成 H₂O₂ ！ Fe²⁺ 再生，二者反應(yīng)生成羥基自由基 （?oH ），來攻擊廢水中的污染質(zhì)。其優(yōu)勢在于避免了 H₂O₂ 儲(chǔ)存、運(yùn)輸中潛在的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)催化劑形態(tài)類型的不同將催化劑分為均相催化劑和非均相催化劑，均相電芬頓技術(shù)是以陰極原位產(chǎn)生 H₂O₂ 與外加 Fe²⁺ 源反應(yīng)生成強(qiáng)氧化劑·OH的過程，非均相電芬頓體系則是常以含鐵鹽固體催化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)游離態(tài)鐵離子作為 H₂O₂ 的催化載體構(gòu)建電芬頓體系，即同時(shí)具有陰極原位生成 H₂O₂ 和催化劑氧化HO2生成自由基的過程[-]。

2 陰極材料的選擇

2.1 碳材料

碳材料成本低并且具有一定的吸附性，抗腐蝕能力很強(qiáng)、容易負(fù)載、導(dǎo)電性和催化性良好，具有較高的析氫電位，并且以碳作為基底，其反應(yīng)比表面積大、無毒、穩(wěn)定性好，可以高效產(chǎn)生 H₂O₂ 并將其分解產(chǎn)生活性自由基，使其在光/電輔助芬頓體系中起著非常重要的作用[2]。實(shí)驗(yàn)室常見的碳基陰極材料有碳?xì)郑–F）、碳納米管（CNT）、石墨烯、石墨氈（GF）、活性炭纖維（ACF）、空氣擴(kuò)散電極（GDE）等。WANG等°在900 C 的氮?dú)夥罩?，將石墨氈用?qiáng)堿處理，使得氧化還原反應(yīng)的活性位點(diǎn)增加，促進(jìn) H₂O₂ 的生成。邢海雙等13]采用活性炭纖維改善污泥的脫水性能，污泥的SRF和含水率明顯下降，脫水性能得到改善。盧素敏等4以碳?xì)肿鲫帢O處理印染廢水，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過 3h 電解后，脫色率和COD的去除率可分別達(dá)到 99.61% 及73.31% 。

2.2 非金屬改性碳材料

以碳材料為基體，摻雜非金屬物質(zhì)進(jìn)行改性，如引入碳納米管、乙炔黑、多孔碳等其他碳成分或者雜原子摻雜，如摻氮、摻硫、摻硼等[]。其可以增加材料表面的活性位點(diǎn)，提高 H₂O₂ 的生成量。改性材料的制備方法也較多，如超聲浸漬[16-17]、軋制、熱壓制、涂刷和電沉積等。楊新明等利用石墨氈為基體，利用浸漬法將碳納米管、炭黑和聚四氟乙烯負(fù)載，與石墨氈相比，改性石墨氈表現(xiàn)出更高的 H₂O₂ 生成量。曹天軼制備了氮摻雜多孔碳?xì)植牧希∟PC/GF），實(shí)驗(yàn)表明，改性碳?xì)?2h 內(nèi)產(chǎn)生的 H₂O₂ 濃度是原始碳?xì)值?0倍。ZHU等制備了一種氮化碳石墨基電極用于電芬頓體系中降解磺胺噻唑，在電流密度為 50mA 、 ΔpH 為3的條件下，在反應(yīng)的180min 內(nèi)，溶液中的 H₂O₂ 濃度最高達(dá)到457.45μmol?L^-1 。

2.3金屬/碳基復(fù)合材料

將含鐵鹽的固體催化劑負(fù)載到電極陰極的非均相電芬頓技術(shù)，處理效果好，起催化作用的可以是金屬或金屬氧化物[15]。這些金屬催化劑被稱為雙功能催化劑。此外，一些過渡金屬單原子催化劑和無金屬碳催化劑由于其良好的催化活性也顯示出作為雙功能催化劑的前景。YAO等2采用層狀Fe²⁺/Fe³⁺ 雙氫氧化物/碳?xì)蛛姌O降解水中的環(huán)丙沙星結(jié)果表明，在 pH 為3～9時(shí)，電極都能進(jìn)行工作，溶液中的環(huán)丙沙星去除率達(dá)到了 91.3% 。

2.4 泡沫類金屬

泡沫類金屬是一種三維結(jié)構(gòu)的新型材料，其面積大、吸附性好，鎳、銅、鐵是目前常用的泡沫金屬材料。馮卓然等采用泡沫鎳三維電極電芬頓法處理焦化廢水，使焦化廢水COD去除率達(dá)到 75.5% 苯酚去除率達(dá)到 75.7% 。有研究采用 Mn/ 炭黑-泡沫鎳電極電化學(xué)降解諾氟沙星，諾氟沙星的去除率可達(dá) 83.9% ，TOC 的去除率可達(dá) 69.2%^[22-24] 。LUO等[25]利用 Cu 摻雜 Fe@Fe2O₃ 負(fù)載于泡沫鎳電極上降解四環(huán)素，經(jīng)過 2h 反應(yīng)，四環(huán)素幾乎完全去除。

3 影響因素

3.1 pH

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， ΔpH 為3時(shí)，利用電芬頓技術(shù)對污染物的去除效果最佳。但水的強(qiáng)酸性，不利于污水的后續(xù)處理。何盈盈等22通過 Mn₃O₄/ACF 復(fù)合陰極類電芬頓體系降解亞甲基藍(lán)廢水，實(shí)驗(yàn)效果證明當(dāng) pH 為3～5時(shí)，對亞甲基藍(lán)廢水的處理效果均非常理想，在 97% 以上。馮凡等2利用改性CNT負(fù)載納米鐵作為陰極來降解左氧氟沙星，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 240min ， ΔpH 為3～9時(shí)，去除率可達(dá) 92.7%.95.7% 。王爽等以炭黑和聚四氟乙烯（PTFE）對石墨氈進(jìn)行改性作為陰極，改性后電極在中性條件（ pH 為7下， H₂O₂ 產(chǎn)量達(dá)到最高。

3.2 電流密度

易師等2采用正弦交流電芬頓法去除廢水中的四環(huán)素，當(dāng)電流密度從 0.231mA?cm^-2 增加到0.694mA?cm^-2 時(shí)，TC去除率從 86.96% 提高到了 91.95% 。當(dāng)電流密度持續(xù)增加到 0.926mA?cm^-2 時(shí)，TC的氧化降解效果反而下降，因此過高的電流密度阻礙了H₂O₂ 的產(chǎn)生、積累和轉(zhuǎn)化，抑制降解速率。趙龍飛等[2采用 Fe₃O₄@CF 電極在非均相電芬頓系統(tǒng)降解四環(huán)素，當(dāng)外加電流為 10～50mA ，四環(huán)素的去除率與外加電流成正比[25]

3.3曝氣量的影響

三維電極法中曝氣的目的主要有兩個(gè)：一是促進(jìn)傳質(zhì)與擴(kuò)散，曝氣量的增加有利于改善水力條件，減少短路電流的產(chǎn)生，提高電解效率。二是為反應(yīng)器提供氧氣，溶解氧的含量直接影響著·OH、0Cl^- 、： 0^2? 等氧化性中間產(chǎn)物的生成，從而影響污染物的間接氧化去除[28]。

3.4粒子電極投加量的影響

粒子電極是三維電極法的核心，被電場極化的粒子電極可以獨(dú)立執(zhí)行與電解槽相同的功能[29-30]。增大粒子電極投加量可擴(kuò)大電極表面積，增加微型電解槽的數(shù)量，縮短電極間距，強(qiáng)化物質(zhì)傳質(zhì)過程，提升電解質(zhì)的電導(dǎo)率，從而促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

3.5 極板間距

極板間距也是影響電化學(xué)反應(yīng)的重要因素，極板間的電阻隨間距的減小而降低，極板間距過大，電子的轉(zhuǎn)移速度降低，減少 H₂O₂ 的生成，從而減少了活性氧化物的產(chǎn)生，但過小的極板間距也易導(dǎo)致陰極上的Fe2+被氧化成 Fe³⁺ ，從而不利于電芬頓反應(yīng)的進(jìn)行。因此，不同的污水量，污水濃度，要選擇合適的極板間距，調(diào)整極板間距對PPCPs的降解率也有很大的影響。

3.6 反應(yīng)時(shí)間

反應(yīng)時(shí)間對電芬頓處理PPCPs類廢水也有很大的影響。反應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)不充分，達(dá)不到較好的處理效果；反應(yīng)時(shí)間過長，處理效果變化微弱，浪費(fèi)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)材料。韓穎等31采用生物炭修飾陰極的電芬頓技術(shù)處理水中的磺胺甲惡唑，實(shí)驗(yàn)在前60min，污染物濃度下降明顯，去除速率較快；在實(shí)驗(yàn)反應(yīng) 2～3h 時(shí)，去除率的增幅下降顯著，降解6h后，污染物的降解率為 86.99% ，繼續(xù)延長降解時(shí)間，降解效果不顯著，因此 6h 為最佳的降解時(shí)長。

3.7 其他影響因素

除了實(shí)驗(yàn)條件的影響之外，在制備材料過程中，制備材料的方法和條件對污染物的處理效果也有很大的影響，不同的煅燒溫度會(huì)影響合成材料的表面結(jié)構(gòu)，大量研究結(jié)果表明，煅燒溫度在 300～400° 時(shí)，合成材料對污染物的去除效果最好。除此之外，負(fù)載之后，材料煅燒時(shí)間也會(huì)影響材料的處理效果，煅燒時(shí)間過少，達(dá)不到想要的處理效果，煅燒時(shí)間過長，會(huì)破壞材料的表面結(jié)構(gòu)，從而影響處理效果，因此，不同的實(shí)驗(yàn)情況，要選擇合適的煅燒溫度。合成材料的比例對實(shí)驗(yàn)效果也有一定的影響，材料和黏合劑的比例對處理效果也各不相同，選擇合適的材料比例在電芬頓處理廢水中也至關(guān)重要。

4結(jié)論

本文綜述了電芬頓技術(shù)的催化劑分類，各種改性材料的選擇以及在處理PPCPs類廢水的影響因素，建議今后從以下方向繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

（1）活化 H₂O₂ 產(chǎn)生活性氧化物是電芬頓技術(shù)在實(shí)際廢水治理中的關(guān)鍵因素

（2）引進(jìn)光電結(jié)合的電芬頓技術(shù)可以大大提高處理效果，節(jié)約處理成本。

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Application of Electric Fenton Technology in Treating PPCPs Wastewater

WU Xiaohui， WUNana

（School ofMunicipalandEnvironmental Enginering，Shenyang Jianzhu University，Liaoning Shenyang 110168，China）

Abstract： Drugsand personalcareproducts （PPCPs）arearelativelynewtypeof polutant in wastewaterpolution，whichhasbeen widely concemed bypeople.TheelectroFentonprocess，asanadvanced oxidationprocess（AOPs），has highoxidationefcency strong oxidationperformance，andisotpronetosecondarypolltio.TheelectroFentontechologyisconstantlyimprovingandits applicationstatusisdscussedfromtreeaspects：catodematerialscatalysts，andinfuencingfactos.Thedevelopmentditioof electro Fenton technology for degrading PPCPswastewater is also discussed.

Keywords：Electric Fenton;Catalyzer;Cathode;PPCPs