王藝霖

不同電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用與進(jìn)展

王藝霖

（沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

活化過硫酸鹽作為高級氧化技術(shù)在水處理領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。而電化學(xué)作為活化方式之一，因具有高效、無二次污染等優(yōu)勢受到人們的關(guān)注。而影響電活化的重要因素之一是電極材料的選擇。文章介紹了較為常用的電極材料在水處理中的應(yīng)用，分析了電極的作用原理?？偨Y(jié)了電極材料在使用中存在的不足，提出了發(fā)展方向。

電極材料； 活化過硫酸鹽； 硫酸根自由基

W.H.Glaze［1］在1987年提出高級氧化技術(shù)是通過產(chǎn)生羥基自由基來進(jìn)行氧化分解，高級氧化技術(shù)因氧化能力強、不產(chǎn)生二次污染、反應(yīng)時間快等特點，得到廣泛應(yīng)用。隨著人們不斷研究，活化過硫酸鹽產(chǎn)生的硫酸根自由基因具有極強的氧化性，被用于氧化降解有機物，該技術(shù)也被納為高級氧化技術(shù)。過硫酸鹽（PS）具有O—O鍵，如圖1。

目前主要通過紫外線、過渡金屬離子、活性炭、電強化等方法來斷裂雙氧鍵結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生帶有孤電子對的硫酸根自由基（SO4-·）[2]，其中，電化學(xué)活化方式具有可控性強，無二次污染等優(yōu)點得到廣泛關(guān)注。朱應(yīng)良等［3］以橙黃G染料廢水為目標(biāo)污染物，利用EC-PS體系進(jìn)行處理。該反應(yīng)鐵為陽極，石墨為陰極，結(jié)果表明，在不同工況下EC-PS協(xié)同處理效果是最優(yōu)的，OG脫色率達(dá)到了理想的效果，為97.85%。但不同電極的活化效果也存在著不同，因此本文對不同電極在活化過硫酸鹽方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，為電活化過硫酸鹽技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

圖1 過硫酸根結(jié)構(gòu)

1 不同電極材料活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

影響電化學(xué)活化過硫酸鹽體系的重要因素眾多，其中就包括電極材料。不同電極材料處理染料廢水的應(yīng)用現(xiàn)狀見表1。

表1 不同電極材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 金屬電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

1.1.1 鐵電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

鐵本身獲取途徑多、使用成本低廉、可提升PS與Fe2+的利用率。在電流的作用下，鐵作為陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，逐漸轉(zhuǎn)化為Fe2+，F(xiàn)e2+再與過硫酸鹽反應(yīng)產(chǎn)生SO4-·。另外，鐵陽極/PS體系利用電場來控制Fe2+的釋放過程，解決了Fe2+投加帶來的問題，避免了陰離子的引入，將Fe2+/PS體系對有機污染物的去除效能最大程度的展現(xiàn)了出來［9］。

Lingjun Bu[14]以鐵為陽極活化過硫酸鹽處理奧卡西平。在相同的條件下，F(xiàn)e陽極/PS體系對奧卡西平的去除率要優(yōu)于單一體系，隨著電流密度的增加降解率出現(xiàn)先增加后減弱的趨勢，驗證了Fe2+的釋放規(guī)律符合法拉第定律。Jun Li等[10]利用環(huán)狀鐵片做陽極活化過硫酸鹽處理水中的2,4-二硝基苯酚。結(jié)果表明，在最佳條件時，COD的去除率在15 min后就達(dá)到了63.4%。

1.1.2 Pt電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

Pt電極和Ti/Pt電極也可被用于活化過硫酸鹽來處理染料廢水。由于Pt電極析氧電位過低致使在電化學(xué)中使用其作陽極對污染物的降解效果一般。但若是與活化過硫酸鹽技術(shù)結(jié)合，對有機物的降解能力便顯著增強。宋浩然[11]選用的就是鈦鍍鉑陽極活化過硫酸鹽技術(shù)處理有機污染物卡馬西平。結(jié)果表明，與單獨Ti/Pt電解相比，Ti/Pt陽極電活使卡馬西平的降解率得到了很大的提升。Xue Li等[12]以活性艷藍(lán)為目標(biāo)污染物，利用Pt陽極活化過硫酸鹽體系進(jìn)行降解，選取不同溶液做電解液，分別為：含NO3-、Cl-和SO42-的溶液。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，含NO3-溶液為最佳電解液，污染物的去除率為92.08%。

1.2 碳材料電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

1.2.1 BDD電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

摻硼金剛石（BDD）電極不僅具有金剛石的高硬度強度和化學(xué)穩(wěn)定性，還具有電化學(xué)勢窗寬、背景電流小、可逆性好等良好的特質(zhì)，使BDD電極成為在被廣泛應(yīng)用于水處理領(lǐng)域的新興電極[13]。

Lingjun Bu等[14]以摻硼金剛石為陽極活化過硫酸鹽處理阿特拉津，通過與電化學(xué)處理阿特拉津相比，BDD陽極活化PS體系的處理效率十分理想，該體系是利用自由基和非自由基的共同作用使得處理效果得到很大的提升。Jing Ding等[15]分別采用摻硼金剛石和涂層鈦做陽極活化過硫酸鹽處理雙酚A，研究在高氯酸鹽、硫酸鹽和氯化物三種介質(zhì)中對雙酚A降解率的影響，結(jié)果表明，在這三種介質(zhì)中以BDD為陽極活化過硫酸鹽體系的去除率要整體優(yōu)于以涂層鈦為陽極活化過硫酸鹽體系。其中在氯化物介質(zhì)中，這兩種體系對雙酚A的降解率最高，分別為100%和60% 。

1.2.2 活性炭纖維電極活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

活性炭纖維具有表面積大、孔隙率高等優(yōu)點，可以很好將水中污染物吸附富集到電極表面，使氧化效率得到很大的提高，是很好的陰極材料之一。

Zhen Liu等[16]利用活性炭纖維陰極活化過硫酸鹽處理卡馬西平，結(jié)果表明，該體系對卡馬西平的去除率十分理想，去除率隨著過硫酸鹽的濃度、電流密度和pH的增加而提高，且活性炭纖維在經(jīng)過多次使用仍能保持較高的吸附性能和催化活性。

從目前的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳材料電極分別做陰陽極來活化時，產(chǎn)生的反應(yīng)也因此不同。當(dāng)作為陽極時，過硫酸鹽在電極表面直接分解產(chǎn)生SO4-·和形成過渡態(tài)活化結(jié)構(gòu)；而作為陰極時，則是電子的直接轉(zhuǎn)移，更加具體的機理還要做進(jìn)一步深究[18]。

2 不同因素對電極活化過硫酸鹽降解污染物的影響

2.1 初始pH值對電極活化過硫酸鹽降解污染物的影響

在該聯(lián)合體系下，pH與染料廢水的處理效果有著密切的聯(lián)系。原因是氧原子電極電位在酸性條件下會比較高，導(dǎo)致原電池的電位差增大，使電極的氧化還原反應(yīng)得到促進(jìn)。

易俊[18]利用構(gòu)建的Fe0/C微電解+過硫酸鹽耦合體系在處理活性紅X-3B廢水時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH由1增加到9時，脫色率由98%左右降至69%左右。原因是pH＞7時，一方面Fe2+易與OH-發(fā)生反應(yīng)，生成氫氧化二鐵或氫氧化三鐵，影響活化效果。另一方面，硫酸根在堿性環(huán)境中容易轉(zhuǎn)化為氫氧根，導(dǎo)致自由基的氧化能力受到減弱。劉超斌等[19]在優(yōu)化鐵碳微電解活化過硫酸鹽處理實際染料廢水時，發(fā)現(xiàn)初始pH值對該體系的影響在于兩方面，一是低pH時微電極氧化能力會進(jìn)一步提升；二是在酸性條件下產(chǎn)生的Fe2+對PS活化具有更好的促進(jìn)作用。

2.2 過硫酸鹽濃度對電極活化過硫酸鹽降解污染物的影響

作為SO4-·的來源，過硫酸鹽投加量對反應(yīng)的影響十分顯著。

張鵬[20]在研究Fe/C-MEF活化過硫酸鹽體系處理黑5染料廢水時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過硫酸鹽濃度從1 mmol·L-1增加到15 mmol·L-1時，黑5染料廢水的脫色率增長至率90.7%。李娜[21]通過光催化燃料電池耦合過硫酸鹽體系處理甲基橙廢水時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過硫酸鹽濃度從0.05增加至0.5 mM，脫色率的增長幅度達(dá)到41.05%，而繼續(xù)增加至1.0 mM時，發(fā)現(xiàn)脫色率僅有4.02%的增長。

2.3 電流密度對電極活化過硫酸鹽降解污染物的影響

電流密度的大小是決定反應(yīng)的快慢的關(guān)鍵因素。原因是電流密度越大導(dǎo)致電極之間的反應(yīng)越劇烈，從而導(dǎo)致降解效能提升。

馬安慧茹[22]考察了電流密度在電催化過硫酸鹽體系中對催化過硫酸鹽降解的效能，發(fā)現(xiàn)對活性艷蘭的降解率隨電流的增加而大幅度提高。當(dāng)在80 mA條件下，變化幅度最大，達(dá)到了38.2%。Wei Li等[23]在研究硼摻雜金剛石薄膜電極活化過硫酸鹽體系對水中活性艷藍(lán)19的降解效果時發(fā)現(xiàn)，低電流密度仍能促使降解率的提高，在2.5、7.5和15 mA·cm-2條件下，脫色率和TOC去除率均增加。Alexsandro Jhones dos Santos等[24]發(fā)現(xiàn)在8.3、16.7和33.3 mA·cm-2三種電流密度下，檸檬黃偶氮染料廢水在一種雙電化學(xué)活化過硫酸鹽體系中的脫色率隨著電流密度的增加而增加。

3 結(jié)論

綜上所述，電極活化過硫酸鹽體系能實現(xiàn)更好的降解效果。電極不同對于過硫酸鹽的活化也不同，而導(dǎo)致電極不同處理效果不同的原因是活性物種類的差異[7]。盡管電化學(xué)活化過硫酸鹽被認(rèn)為是一種環(huán)境友好、高效且具有前景的技術(shù)，但也存在些問題，F(xiàn)e電極在酸性條件下更加適合，但其產(chǎn)生的鐵泥使其不能廣泛應(yīng)用。碳材料電極雖具有較強的吸附性能以及活化效果，但確存在使用成本高、重復(fù)使用率不高等問題。在實際應(yīng)用中，電化學(xué)活化過硫酸鹽體系的研究大多是針對模擬廢水，缺少處理實際廢水的經(jīng)驗。因此開發(fā)使用次數(shù)高、強度高、造價成本低的電極材料、多對實際廢水進(jìn)行處理是非常重要。

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Application and Development of Persulfate Activated by Different Electrodes in Water Treatment

（Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China）

Activated persulfate is widely used in the field of water treatment as an advanced oxidation technology. As one of the activation methods, electrochemistry has attracted people's attention because of its high efficiency and no secondary pollution. One of the important factors affecting electroactivation is the choice of electrode materials. In the article, application of more commonly used electrode materials in water treatment was introduced, and the working principle of the electrode was analyzed. The deficiencies in the use of electrode materials were summarized, and thedevelopment direction was proposed.

Electrode material; Activated persulfate; Sulfate radical

2021-12-22

王藝霖（1998-），女，碩士研究生，遼寧省沈陽市人，2020年畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：污水處理理論與技術(shù)。

TU99; X522

A

1004-0935（2022）06-0816-04