不同电极材料用于电化学处理废水中亚甲基蓝的降解_韩玉花.pdf

第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023 年 2 月 Liaoning Chemical Industry February，2023 基金项目基金项目：重庆化工职业学院 2021 年度校级科研项目（项目编号：HZY2021-KJ06）。收稿日期收稿日期：2022-04-27 作者简介作者简介：韩玉花（1984-），女，山西省阳泉市人，讲师，硕士研究生，2011 年毕业于辽宁师范大学物理化学专业，研究方向：电化学检验研究。通信作者通信作者：李文丽（1984-），女，副教授，硕士研究生，研究方向：化学检验研究。不同电极材料 用于电化学处理废水中亚甲基蓝的降解 韩玉花，陈德会，李文丽，吴彦蕾（重庆化工职业学院，重庆 401228）摘 要：实现“碳中和”需要各个行业协作发展，而印染行业废水对环境的影响已成为亟待解决的问题。电化学降解技术对实现绿色工艺、建立“碳中和”体系具有重要作用。通过对近年复合材料电化学降解废水中亚甲基蓝研究的分析，指出了多功能材料在亚甲基蓝的去除中发挥了重要作用，梳理了电化学处理污水技术的研究进展，对多功能复合材料在电化学降解亚甲基蓝中的应用进行了展望。关 键 词：不同电极材料；碳中和；亚甲基蓝；电化学降解 中图分类号：TQ150.9 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0295-03 亚甲基蓝（MB）是一种常见的噻嗪类有机染料，在棉麻染色、生物染色、化学指示剂等方面应用广泛。然而，残留在废水中的亚甲基蓝不仅会抑制水生植物的生长，还会对人体的皮肤、眼睛和呼吸道有刺激，当浓度较高时，甚至会造成心血管、肠胃及神经系统的损伤。其废水不但有毒，而且可降解性差1-2。目前，传统降解有机废水的方法包括物理吸附法、生物降解法、电化学法，然而有些方法处理效能较低，处理后的水质难以达到排放标准，在世界范围，仍不能满足人们对水质净化的需求，而电化学污水处理技术不需要投入大量的化学试剂，既减少了能源消耗，又高效清洁。电极材料的开发是影响该技术应用效果和运行成本的关键因素。当前我国报道的电化学技术因其独特的优势，而受到了越来越多的关注。电化学处理废水的技术优势有操作简单、氧化性强、清洁高效、对环境较友好、易实现自动化、还能与其他方法相结合。现代电化学氧化工艺适用水质广、降低能耗、绿色经济、成本低，能够高效降解废水中的有机染料，从而成为了污水处理技术的重要研究方向3-5。现代电化学氧化降解是趋于绿色、高效的净水工艺，并提高能源使用率，构建“碳中和”模式。电化学氧化技术因其高效、无二次污染、降解彻底等优点，被应用于处理难降解的工业废水。已有报道研究用电化学氧化法脱色亚甲基蓝染料，实验表明该脱色反应能减少电能消耗和减少反应时间6-8。电催化使难降解染料污染物快速进行断键、打开环、氧化分解等反应，促使大分子物质转化为小分子易降解物质，进而达到降解去污的目的9-11。该工艺除了能降解水中污染物，还可从废水中回收资源，扩大水处理规模，实现资源化、能源化和工程化12。电化学催化降解有机污水的核心及研究难点就是研发高催化性能的电极材料。因此，更加深入地探究不同材料的电催化氧化法降解废水中的亚甲基蓝具有重大意义。1 半导体材料 世界各国随着工业化发展，污水排放量增加和生态环境压力不断增大，发展高效、稳定、成本低的污水处理技术成为迫切需求13。亚甲基蓝是一种有机染料，有毒，难降解，常残留于染料废水。对于 MB 的降解去除研究已越来越受到重视，世界范围内发表的关于电氧化处理水中 MB 的论文和专利数量都在不断上升，该技术得到了广泛的研究。我国研究电化学水处理技术较多，该技术具有不需添加其他药剂、占地小、效率较高和自动化控制、使用方便等优点，还可与光催化、膜处理等方法相耦合实现高效处理，尤其适于低浓度废水的深度净化处理，并在污染物超低排放和资源化上具有非常突出的优势14。目前电化学氧化技术研究方向主要有DOI:10.14029/ki.issn1004-0935.2023.02.014296 辽 宁 化 工 2023 年 2 月 3 类：电化学处理污水机理、新型高效电极材料、电解设备的设计研发。电化学反应器的核心要素是电极材料，好的电极材料既降低能耗还能保持较高的稳定性。因此研发新型的电极材料成为电化学领域的重要任务15。研究表明，半导体材料能够有效地催化降解有机分子。在合适的半导体催化剂作用下，可以催化有机物转化为可降解小分子。纳米半导体材料是一种人工制造的新型半导体材料，随着材料维度的降低和结构特征尺度的减小，量子干涉效应等性质改变，使得其表现出独特光电催化特性、光电转换特性及电学特征。利用这些特征，纳米半导体材料可用于研制新型复合材料。碳化硅（SiC）因其硬度高、性质稳定、耐高温、抗氧化性强、带隙宽等特性，能有效提高负载到其表面的金属稳定性，有利于提高材料的催化活性，可作理想的电催化材料16。目前对半导体材料的研究报道越来越多。余洁意17研究了半导体（Si、SiC、TiC）纳米晶体形态控制及其光/电催化特性。张皓18等合成出了粒径大、纯度高、电学参数优良的-SiC，提高了晶体质量。刘跃鹏19制备了纳米 Pt/SiC 及研究了其电化学催化性能，指出载体的形态对有机分子的电化学性能、吸附和脱附都有较大影响。半导体复合材料在光催化处理废水中的染料过程中起到了举足轻重的作用。杨静静20等通过化学沉淀法，制成了碳化硅/钒酸铋的复合材料。该材料与单一碳化硅相比较，其对MB 的光催化降解能力实现了较大提升，且降解亚甲基蓝的速率常数是碳化硅的 22 倍。而光照时间为1 h，亚甲基蓝的降解率超过了 90。这种复合半导体材料两物质因良好接触形成了异质结，促进了光生电子和空穴的分离，从而提升了光催化降解亚甲基蓝的能力。2 磁性纳米材料 磁性纳米材料作为吸附剂在工业上有很大的应用前景，特别是在处理染料污水方面有明显的效果，而半导体材料也能够有效催化有机分子降解。因此，基于磁性/半导体纳米复合材料的电化学处理污水技术未来的发展前景是非常广阔的。磁性四氧化三铁（Fe3O4），因其粒径小、比表面积大和良好的传质效率、制备和分离简便且可回收利用等优良性能而被广泛研究。但是，其也存在密度大、高温稳定性差等不足。李冬梅21采用钴介体协同磷酸根体系电催化降解亚甲基蓝（MB），说明了降解机理中起主导作用的是电极材料。严政22通过水合法制出磁性活性碳材料，用于处理亚甲基蓝。实验表明，磁性活性炭在去除亚甲基蓝过程中是化学吸附，在 120 min 达到吸附平衡，最大吸附容量达 106.4 mgg-1。邱志旭23等通过融硫法将硫负载到多壁碳纳米管中，再通过研磨法将 Fe3O4与其复合，制备出 S/多壁碳纳米管/Fe3O4电极材料。赵孝梨24等研究了磁性纳米四氧化三铁催化过氧化氢降解亚甲蓝染料。实验显示，四氧化三铁作为催化剂对亚甲基蓝降解有明显促进作用。王廷媛25等研究了 Fe3O4SiO2CeO2吸附剂对废水中亚甲基蓝的吸附效能。实验结果表明，在最佳条件时，该纳米吸附剂对亚甲基蓝的吸附率达 82%。王金兰26等提出了使用共沉积法制备磁性石墨烯基负载 CeO2材料，并去除废水中的亚甲基蓝，多次循环后，吸附去除率仍可达到 85%。宋瑾27等对 MCM-41 负载铁基催化剂进行改性，并且研究了其催化降解亚甲基蓝的性能。结果表明磁性材料改性后具有了更好的催化效能。蒲生彦28等探究了海藻酸钠磁球的制备以及其在水处理中的应用，指出磁性材料对亚甲基蓝具有较高的吸附性能，4 次洗脱后对 MB 的吸附量仍有 740.6 mgg-1，可重复使用。因而，能够通过改性复合磁性纳米材料，进一步提高电化学处理对亚甲基蓝的降解效率。3 三维电极材料 研究表明，三维电极可以是一种粒子电极或床电极，形态包括粒装、块状或团聚状。在其被投入到传统的电化学二维电极体系中时，将电源打开使得整个系统通电，由于溶液中发生的是电解池反应，电荷进行了转移，同时三维电极材料因比表面积大、具有吸附作用，所以表面会存在大量电荷，就将成为电化学系统中，除正负极之外的第三个电极。叶延超29提出电化学水处理研发中的当务之急就是研发新型的电极材料。与二维电极相比，三维电极可以提供的电流更大，空间转化率更高，反应速率更快，因此在未来的电化学废水处理领域中三维电极也是一种具有广泛前景的材料。4 结束语 由上述文献报道可以得出，电化学催化氧化降解方法中新型电极材料起到举足轻重的作用30-31。经参阅大量文献后，本文分析了 3 种不同材料对于电化学降解废水中亚甲基蓝的应用，得出磁性第 52 卷第 2 期 韩玉花，等：不同电极材料用于电化学处理废水中亚甲基蓝的降解 297 Fe3O4/SiC材料电催化降解废水中的亚甲基蓝是可行的，且与传统的处理技术相比，该法所用材料低廉、易于控制，大大加快了污水中亚甲基蓝的降解过程。而且其所需投加的药剂量大大减少，既节约了电能，还避免了二次污染32-33，还可以通过反应回收污水中的重金属等物质，对降低能源消耗，实现“双碳”目标具有深远的意义。参考文献：1 王莉，王俊波，潘华，等亚甲基蓝染料的电化学氧化脱色与终产物分析J复旦学报，2020，59（2）：532-539 2 秦中良，陈霖电化学技术处理工业污水研究进展J广东化工，2021，48（3）：84-85 3 杨颖，周俊，李璐，等.电化学法处理难降解废水的研究现状与展望J湖南城市学院学报（自然科学版），2020，29（6）：73-79 4 路思佳，李晓良，郑兴.绿色电化学法对污泥处理的研究进展C.中国环境科学学会 2019 年科学技术年会，2019 5 陈华泉，张晖，周雪松，等改性活性炭对亚甲基蓝与 Cd2+复合污染物的吸附性能研究J应用化工，2021，50（10）：2699-2705 6 闵涛，马国华，刘桂君，等.TiO2/Ni3Ge2O5(OH)4复合材料的制备及光催化性能J人工晶体学报.2021，50（11）：2086-2092.7 张楠，高山雪，陈蕾电化学技术在水处理中的应用进展J应用化工，2021，50（8）：2240-2244 8 曲久辉，刘会娟.水处理电化学原理与技术M.北京：科学出版社，2007.9 王韶琰，盖志刚，王宜豹，等掺硼金刚石薄膜电极降解亚甲基蓝废水J山东科学，2020，33（1）：109-115 10 刘栓炉渣粒子三维电极的制备及去除水中亚甲基蓝效能的研究D新疆：石河子大学水利建筑工程学院，2020 11 烜邢增孟，汤兵，陈，等纳米磁性颗粒 Fe3O4用于吸附水相中酸性红及其机理研究J环境科学学报，2014，34（9）：2246-2255 12 贾予腾，胡广宇，赵明，等水处理领域基于电沉积的 TiO2光催化材料进展J电镀与精饰，2021，43（8）：54-58 13 仲昭宇，宦恒庆，缪莉，等电化学氧化处理有机废水综述J当代化工研究，2019（13）:42-44 14 张谊，黄健，丁元法，等电化学水处理技术的研究进展J广州化工，2020，48（15）：31-34 15 珺周雨，吉庆华，胡承志，等 电化学氧化水处理技术研究进展J 土木与环境工程学报（中英文），2022，44（3）：104-118.16 李佳璇资源化利用废弃太阳能电池片制备 SiC 材料及其电催化性能研究D上海：上海第二工业大学，2020 17 余洁意半导体（Si、SiC、TiC）纳米晶体形态控制及其光/电催化特性D大连：大连理工大学，2017 18 张皓，王英民，陈建丽，等高纯度-SiC 粉料的合成J半导体技术，2021，46（10）：779-782 19 刘跃鹏纳米 Pt/SiC 的制备、表征及其电化学催化性能研究D太原：山西大学化学化工学院，2011 20 杨静静，韦莹莹，何勇平，等.SiC/BIVO4复合材料光催化降解亚甲基蓝J 西南师范大学学报（自然科学版），2018，43（5）:31-36 21 李冬梅，张权，喻子真，等PO34-协同钴介体电催化体系用于亚甲基蓝（MB）的降解性能研究J.环境科学学报，2020，40（