非均相電芬頓技術降解抗生素廢水的研究進展

叢俏, 蔡國慶

(吉林建筑大學市政與環境工程學院, 長春 130000)

1 利用非均相電芬頓技術降解抗生素廢水研究現狀

非均相電芬頓技術目前大多是利用可循環使用的固體催化劑,在酸性或者中性的條件下,與通過二電子氧化還原反應(oxygen reduction reaction, ORR)原位生成的H2O2反應生成強氧化性的羥基自由基[7-8],并且其能夠有效且無選擇性地攻擊多種有機物污染物[9]。

與均相電芬頓技術相比,非均相電芬頓技術具有如下的優勢:①可在較寬pH范圍內操作,因此可避免最終流出物的中和;②減少氫氧化鐵污泥的形成;③催化劑易于處理,安全存儲,可有效回收,并具有重復使用的可能性[10]。

近些年來,非均相電芬頓技術也遇到了陰極材料催化性能差、催化劑溶解以及使用壽命短等瓶頸和陽極材料成本過高等問題。因此制備穩定、高效的陰極和高導電性、高析氫電位、價格低廉的陽極材料已是迫在眉睫。

陽極材料也是非均相電芬頓技術中重要的組成部分,其中硼摻雜金剛石(boron doped diamond, BDD)和鉑片具有很高的導電性和較高的析氫電位,但由于成本過高,限制了它們在非均相電芬頓中的工業化應用。一種被稱作形穩型的陽極(dimensionally stable anode, DSA)以其較好穩定性得到廣泛的關注[15],眾多的DSA中,因為鈦基二氧化鉛陽極(iron-based lead dioxide, PbO2-Ti)陽極和鈦基/錫銻氧化物(titanium/tin antimony oxide, SnO2/Sb-Ti)陽極具有耐腐蝕性、成本低、壽命長和良好的電催化活性等優點,所以人們對它們展開了廣泛的研究。PbO2-Ti陽極表面具有較多的活性點位、較高的催化活性,展現了良好的電化學特性且具有較低的電阻。田江南[16]在PbO2-Ti作陽極,pH3.0,電流密度為50 A/m2,0.05 mol/L的Na2SO4為電解液的條件下,電解20 min后,羅丹明B(rhodamine B, RhB)的脫色率達到99.01%,在相同條件下電解180 min后,仍然有90.48%的RhB得到了礦化,表明了PbO2-Ti陽極對污染物具有較強的礦化能力。

2 利用非均相電芬頓技術降解抗生素廢水反應機理

2.1 非均相電芬頓過程中H2O2活化的表面催化機理

在酸性條件下,H2O2在固體催化劑表面的分解機理簡化為反應式(1)和反應式(2)。Fe2+在固體催化劑的表面上有效分解H2O2生成·OH,同時自身氧化成Fe3+[反應式(1)]。此外,在鐵功能化陰極材料或固體催化劑中,還可能伴隨著Fe3+/Fe2+的析出,非均相電芬頓反應機理與均相電芬頓相似[反應式(1)]。最后,通過·OH的攻擊,有機污染物可以礦化為H2O和CO2[反應式(2)]。若產生過量的H2O2,·OH會與其發生反應,生成較弱的HO2·[反應式(3)]氧化劑,從而導致降解效率的降低。

(1)

(2)

(3)

在中性及堿性條件下,最初,電生成的H2O2更傾向于與鐵基催化劑的Fe2+—OH/Fe3+—OH活性位點結合[反應式(4)和反應式(5)],形成前驅表面絡合物Fe2+—OH(H2O2)(s)/Fe3+—OH(H2O2)(s),此外Fe2+—OH(H2O2)(s)在催化劑表面催化吸附的H2O2分解成·OH,并在反應期間將其轉化為Fe3+—OH[反應式(6)]。然后表面的H2O2絡合物可以通過可逆基態電子從配體轉移到中心原子變成Fe2+—OH(HO2·)(s)[反應式(7)]。顯然,反應式(7)的反應速率可以通過增加pH到堿性條件而顯著加快,因為H+的快速消耗會迅速改變平衡,導致更多的Fe2+—OH的形成。這個循環會繼續將電生成的H2O2轉化為·OH自由基[17]。然后,后續的復合物將被激活到Fe2+—OH[反應式(8)]。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

綜上所述,在不同的pH條件下,非均相電芬頓的表面催化機理是不相同的。

2.2 非均相電芬頓過程中ORR選擇性電化學機理

在非均相電芬頓過程中陰極區發生四電子還原和二電子還原反應。直接四電子還原,O2在陰極生成H2O[17];二電子還原則是有利于O2在陰極還原成H2O2,因此,四電子還原為競爭反應[反應式(10),反應式(12)],二電子還原則為主要反應[反應式(9),反應式(11),反應式(13)][18]。 另外,在不同反應途徑和pH的條件下,選擇性ORR是不相同的[19]。通過在3種pH下的比較結果表明,與二電子 ORR相比,四電子ORR是一個具有更高標準電極電位的競爭反應,表明了它的熱力學有利性。在酸性、中性、堿性的條件下,四電子ORR比二電子ORR生成的氧還原電位更高。

(1)當pH<7時,有

(9)

(10)

(2)當7

(11)

(12)

(3)當pH>11.7時,有

(13)

式中:E0為298.15 K和1個標準大氣壓下的標準氧化還原電位;RHE為可逆氫電極。

O2在電極表面的吸附方式對ORR通路的確定起著決定性作用[20]。氧的吸附方式包括格里菲斯(Griffiths)吸附、鮑林(Pauling)吸附和橋式吸附[21]。3種吸附方式特點及適用反應途徑見表1。ORR的選擇性和活性取決于O2分子在電極表面的吸附方式和結合能,適度的結合能和Pauling吸附有利于通過二電子ORR途徑生成H2O2。因此,可以通過修飾電極的結構和組成,調節O2分子的吸附方式和結合能,實現高效的二電子ORR通路。

表1 氧的吸附方式

質子耦合電子轉移和HOO*中間體是通過二電子ORR的2個重要步驟在活性位點上生成H2O2[22]。第一步是O2分子在催化劑活性位點上的吸附,隨后與H+反應并通過電子轉移形成HOO*中間體[反應式(14)][23]。第二步是HOO*中間體與另一個H+反應完成雙二電子路徑并形成H2O2[反應式(15)][24]。

(14)

(15)

式中:*表示活性位點。

3 非均相電芬頓催化劑

為了解決均相電芬頓技術的局限性,最近的研究表明:在降解廢水中的有機污染物時,非均相催化劑比均相催化劑更有效[25],非均相電芬頓催化劑在降解有機廢水方面具有廣闊的應用前景[26]。

非均相電芬頓催化劑的重要特征有循環過程的固化和對寬pH范圍的適應性。非均相電芬頓催化劑的優勢主要體現在兩個方面:一是表面催化反應將H2O2活化為羥基自由基;二是pH調節劑可作為多相催化劑。主要介紹非均相電芬頓技術中常用的兩大類催化劑:鐵礦類催化劑和負載型催化劑在非均相電芬頓中降解抗生素廢水的應用。

3.1 鐵礦類非均相電芬頓催化劑

為了克服傳統均相電芬頓技術處理的缺點,人們嘗試使用含氧化鐵的多相催化劑來代替可溶性鐵鹽。近些年來,使用磁鐵礦(Fe3O4)、黃鐵礦(FeS2)、針鐵礦(α-FeOOH)和零價鐵(zero-valent iron, ZVI)作為非均相電芬頓催化劑研究較多。

3.1.1 磁鐵礦

磁鐵礦是一種混合價態的氧化鐵,Fe2+離子的存在有利于通過哈伯·韋斯(Haber-Weiss)機制引發芬頓反應[27-28]。Fe3O4是廣泛應用的幾種常見鐵氧體材料中的一種,Fe3O4同時含有Fe2+和Fe3+,并且具有優異的磁電性能、獨特的氧化還原特性、良好的結構穩定性和可重復使用性[29]。

與傳統的鐵礦催化劑相比,磁鐵礦降解難降解污染物的獨特能力來自磁鐵礦結構中的八面體位點,該位點可以輕松地容納Fe2+和Fe3+離子。磁鐵礦催化劑因具有孔隙多、磁性易分離回收并能加以循環使用的特點而可以作為吸附劑使用。此外,磁鐵礦與H2O2反應生成·OH,可用于去除持久性難降解的有機污染物,而且在整個降解過程中不會存在催化劑的二次污染和損失過多等問題。

磁鐵礦可以在實驗室通過化學沉淀法,使用不同物質的量比的Fe2+和Fe3+混合溶液來制備,也可以在堿性條件下用溶劑熱法合成。研究表明:Fe2+和Fe3+混合比例為1∶2時,能最大限度地沉淀磁鐵礦。Nidheesh等[30]對電解過程中磁鐵礦中Fe3+離子的浸出進行了評價,發現電解過程中無論任何階段,溶液中Fe3+離子的濃度都高于Fe2+離子的濃度。在初始階段,兩種離子的濃度都突然增加,而Fe2+離子濃度在電解時間達到30 min后增加,然后下降,這可能是由于Fe3+離子再生Fe2+離子,使濃度出現波動。相反,Fe3+離子濃度隨著電解時間的增加而增加,表明隨著時間的增加,Fe3+從磁鐵礦中浸出,以顆粒形式存在的磁鐵礦可以減少對pH的依賴而有效降解污染物,反應后無鐵泥的形成。Rahmatinia等[31]通過化學共沉淀法制備了納米-Fe3O4非均相電芬頓催化劑,并用來去除廢水中的甲硝唑(metronidazole, MNZ)。在初始MNZ濃度為70 mg/L,pH3.0,電流為200 mA,能耗為3.2 kW·h/m3的條件下,電解30 min后,MNZ的去除率為92.26%,表明磁鐵礦和納米顆粒結合的催化劑具有較高的催化性能。

3.1.2 黃鐵礦

天然黃鐵礦和合成黃鐵礦既可以作為催化劑,也可以作為pH調節劑,在降解污染物方面具有重要的應用潛力。此外,黃鐵礦還具有雙重表面親水性和不同pH介質下疏水性不同的特點[32]。

在非均相電芬頓過程中,用黃鐵礦作為催化劑時,黃鐵礦能夠自發地調節可溶性Fe2+。隨著黃鐵礦投加量的增加,會使得溶液的pH下降,當反應達到平衡狀態時,黃鐵礦在不同濃度的溶液中會出現固定pH,直接地為非均相電芬頓反應創造了最佳條件。此外,黃鐵礦還可以被回收和再利用。Barhoumi等[33-34]通過非均相電芬頓技術,以碳氈(carbon felt, CF)為陰極,使用黃鐵礦作為催化劑分別去除廢水中的四環素(tetracycline, TC)和磺胺甲嘧啶(tetracycline, SMR),在電流為1 A,pH 3.0的條件下,電解30 min后,TC的去除率達100%,電解4 h后,廢水中的總有機碳(total organic carbon, TOC)去除率達到96.0%;在電流為1 A,pH 3.0的條件下,電解30 min后,SMR去除率達100%,電解8 h后,廢水中的TOC去除率達97.0%。

3.1.3 針鐵礦

針鐵礦是一種分布廣泛的土壤礦物,也是最穩定的鐵氧化物之一。它因含量豐富、催化活性高、操作pH范圍寬、鐵在溶液中的可控浸出、表面積大和表面羥基含量高而被稱為有效催化劑。但針鐵礦作為催化劑也有缺點:需要較長的反應時間才能使污染物完全礦化,通?？梢酝ㄟ^優化pH和調整電流密度來縮短反應時間。另外,針鐵礦溶解度低,反應后溶液中的鐵離子濃度低于其他礦物。α-FeOOH也是地球表面土壤和沉積物中無處不在的天然礦物,由于其豐富性、可用性、相對穩定性和低成本而被廣泛用于廢水處理中,并作為非均相電芬頓的催化劑使用。 Meng等[35]通過鐵沉淀反應制備了α-FeOOH催化劑,具有優異的催化活性、高選擇性和良好的熱穩定性。

3.1.4 零價鐵

ZVI作為非均相電芬頓催化劑在降解有機化合物方面受到廣泛關注[36]。研究表明,隨著ZVI比表面積的增加,可以原位生成更多的活性位點,從而提高了非均相催化過程的催化活性和反應速率。雖然ZVI具有較大的比表面積,但在反應溶液中容易發生團聚。針對其缺陷,可以引入沸石、介孔SiO2、碳納米管和活性炭等支撐材料來避免ZVI團聚。此外,載體材料能有效分散ZVI納米顆粒,增加比表面積,暴露更多活性位點,最終提高催化活性[37]。在具有磁性的芬頓活性材料中,微/納米零價鐵具有多種優勢,如優異的反應性、相當寬的pH范圍和耐鈍化[38]。與均相電芬頓技術相比,廢水中磁性ZVI的去除效果比溶解鐵或鐵污泥要更明顯。此外,在接近中性的條件下,ZVI非均相電芬頓的反應活性顯著。

3.2 負載型非均相電芬頓催化劑

負載鐵和氧化鐵的材料可以作為有效的催化劑,有利于溶液中芬頓混合物的存在。載體材料通常分為有機載體和無機載體。如離子交換樹脂膜、碳納米管、活性炭纖維、生物炭、碳氈載體、沸石、黏土等[39]。負載型催化劑可以避免金屬氧化物析出大量離子導致產生二次沉淀污染,此外,負載型催化劑的使用可增加催化劑的表面積,能為其提供一種基體。通過將鐵離子結合到適當的載體材料,可以增強反應體系的催化活性和催化劑的穩定性。載體具有的孔隙率高、吸附性好、本身不具有催化活性等特點,使負載型催化劑成為了目前非均相電芬頓降解抗生素廢水的研究熱點之一。夏艷[40]首次通過浸漬-鍛燒法合成了氧基氯化鐵/碳納米管復合物FeOCl(56.8%)/CNTs,用FeOCl/CNTs復合物作為非均相催化劑來降解廢水中的MNZ和諾氟沙星(norfloxacin, NFXN),在pH5.0,0.15 mol/L H2O2的反應條件下,電解60 min后,MNZ的去除率達99.3%,COD去除率達68.3%,且FeOCl/CNTs經過6個循環后,廢水中MNZ的去除率仍可達到98%;同樣,在電解60 min后,NFXN去除率達97%,COD去除率為57%。從催化劑的處理效果和穩定性來看,FeOCl/CNTs是非常具有應用前景的一種非均相電芬頓催化劑。董倩茹[41]通過水熱法制備Fe3O4/碳氈作為催化劑降解廢水中的TC,在初始電流為0.2 A,pH3.0,電解質濃度為0.1 mol/L,反應時間120 min的條件下,對TC的去除效果達到最佳,最高去除率可達到93.5%。催化劑循環使用5次后,對TC的去除率仍可達到86.3%。Du等[42]通過低溫硫化MIL-53(Fe)制備了還原S改性的MIL-53(Fe)作為非均相電芬頓催化劑,且該催化劑可通過硫化法再生。在pH3.0,催化劑濃度為0.5 g/L, H2O2濃度為5.0 mmol/L的反應條件下,磺胺甲嘧啶(sulfamethazine, SMT)的去除率達到97.9%。即使在初始pH7.0時,SMT的去除率也能達到95.8%,表明摻S的MIL-53(Fe)是一種優良的pH調節劑,因此具有廣闊的應用前景。Zhou等[43]采用化學共沉淀法制備了磁性碳@Fe3O4納米(C@FONC)催化劑,此催化劑是由粉末活性炭(powder activated charcoal, PAC)和氧化鐵納米催化劑(ferroferric oxide nanocatalyst, FONC)組成的復合材料,利用二者的協同作用,120 min內TC的去除率達到97%,催化劑經過9次循環后,TC的去除率仍可達到85.8%。與傳統非均相電芬頓催化劑相比,負載型催化劑表現出優異的性能。非均相電芬頓催化劑降解抗生素的應用如表2所示。

表2 非均相電芬頓催化劑降解抗生素廢水的應用

4 非均相電芬頓陰極

非均相電芬頓的效率在很大程度上取決于陰極,陰極對過氧化氫的產生有很大的影響,不同陰極材料的選用,生成H2O2的量是不相同的。同時陰極材料需具備電阻效率低、集結電流能力強、使用壽命長和成本低等特點。

4.1 碳材料陰極

近些年來,納米碳材料的飛速發展,讓研究者們又開始將目光轉向碳材料作陰極。因此,幾乎所有用于產生H2O2的有效陰極都是使用各種碳材料制備,例如:碳氈、活性碳纖維(active carbon fiber, ACF)、生物炭、碳納米管等。這些碳材料具有無毒、穩定的特性,并具有很高的氧還原潛力。

Barhoumi等[50]以碳氈為陰極降解左氧氟沙星(levofloxacin, LVF),在電流為0.3 A,pH3.0的反應條件下,電解8 h后,廢水中TOC的去除率達95%。ACF作為一種典型的三維碳材料,具有較高的吸附容量、較好的導電性和較強的機械性,使其成為穩定陰極,并產生相對較大的H2O2積累。郭冬冬[51]以ACF作為陰極降解水中抗生素頭孢氨芐(cephalexin, CLX),通過引入感應電極實現逐漸加入Fe2+,開發出感應電芬頓。在電流強度0.36 A,初始pH7.0,反應物初始濃度為200 mg/L條件下,90 min內CLX能降解完成。此外,在電解360 min后,有機物礦化率為62%。生物炭材料具有高孔隙率、較大的比表面積、豐富官能團、產量大和綠色環保的特點,是一種傳統碳材料的理想替代品[52]。李柯宏[53]使用了松塔生物炭泡沫鐵極板來降解SMR,在松塔生物炭燒結溫度為700 ℃,電流密度為25 mA/cm2, pH3.0的條件下,180 min內,SMR的去除率達到了71.82%。碳納米管是由單層或多層石墨片層卷曲而成的中空管狀結構,壁面由C—C 鍵組成的六邊形結構環繞而成,其物理化學性能優異,具備優良的光、電、熱和力學性能[54]。夏艷[40]通過水熱法制備P-CNTs,利用泡沫鎳為基底以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)為黏合劑和P-CNTs為催化劑制備了具有三維網狀結構的氣體擴散電極。P-CNTs作為催化劑為氣體擴散電極原位產生H2O2,在非均相電芬頓中降解廢水中的MNZ。在廢水中MNZ初始濃度為200 mg/L,溶液初始pH3.0,陰極電位為-0.7 Vvs.SCE(相比與參比電極電勢),Na2SO4電解質濃度為0.1 mol/L,Fe2+濃度為780 mg/L的條件下,電解60 min后,廢水中MNZ的去除率達到99.3%,COD的去除率達到了68.3%。表明氣體擴散電極在非均相電芬頓中具有良好的應用前景。

4.2 復合陰極

在非均相電芬頓中,為了克服負載催化劑的溶解、團聚和脫落導致降解效率降低等問題,復合陰極得到了發展[55]。因為復合陰極同時具有兩種或者兩種以上陰極的性能,所以能直接提高陰極的穩定性。

Yu等[56]以CoFe-層狀雙氫氧化物/碳氈為陰極去除NFXN,NFXN在pH3.0,電流為8 mA/cm2條件下,經過8 h電解后,礦化率達到98.63%,經過5次循環試驗,礦化的催化活性達97%以上,表明所制備的陰極具有良好的可重復使用性。此外,在pH為3.0、6.0、9.0時,NFXN的礦化率分別為98.63%、98.54%、89.98%,說明在較寬pH范圍表現出了極強的礦化能力。賀國華[57]通過化學沉淀法和攪拌法制備了Fe3O4/GO/泡沫鎳復合陰極,用Fe3O4/GO/泡沫鎳復合陰極降解NFXN,在電流為0.3 A,pH3.0,電解質濃度為0.05 mol/L,曝氣量為200 mL/min的反應條件下,電解120 min后,COD去除率最大可達到78.9%,表明Fe3O4/GO/泡沫鎳電極具有更大的應用前景。Lin等[58]采用同步碳化法,CoCl2和硫脲混合浸漬柚皮,60 ℃下干燥12 h,高純N2碳化2 h,冷卻,洗滌制備硫化鈷/石墨化碳(CO9S8/PGC)復合陰極材料降解頭孢,電解4 h后,頭孢的去除率達84.3%。Wang等[59]通過液相還原法首次成功合成了碳球負載的納米零價鐵(carbon sphere-loaded nano-zero valent iron, NZVI/CSs)作為功能化復合陰極,并用于去除廢水中的MNZ,當NZVI與CSs的最佳質量比為2∶1,pH3.33,電解90 min后,對MNZ的去除率為94.18%。Ghasemi等[60]使用一種包含碳納米管(CNTs)和CuFe納米層狀雙氫氧化物(nano-layered double hydroxide, NLDH)的復合陰極,用非均相電芬頓法降解頭孢唑啉,在pH3.0,電解100 min條件下,頭孢唑啉的降解率能達到89.9%。

4.3 改性陰極

H2O2的產生與陰極的性質密切相關,改性過后的陰極具有更好的表面結構、更強的導電性、更長的陰極使用壽命、更高的析氧電位、鍍層更加致密規則和更強的附著力。例如,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)具有巨大的比表面積,對有機污染物具有良好的吸附性,優異的導電性促進了電極與溶液界面的電子轉移,可加速Fe3+的還原和H2O2的生成,其中的含氧官能團增加了陰極表面的活性位點,易與Fe3+離子配位形成新的化學鍵更易使Fe2+快速得到補充。Wang等[61]提出了一種具有高比表面積的大孔石墨烯氣凝膠(graphene aerogel, GA)陰極,GA具有較低的電化學電阻和良好的電催化活性。與傳統的碳纖維和石墨氈陰極相比,GA陰極具有更大的正氧還原電位,達到0.07 V(與飽和甘汞電極相比)。在90 min內原位電生成107.6 mg /L的H2O2,并在90 min和120 min內,環丙沙星(ciprofloxacin, CIP)降解率分別接近100%和91%。GA陰極因為具有較強的電荷轉移能力而有利于Fe3+/Fe2+的轉化,且具有出色的可重用性和穩定性,所以與未改性石墨烯陰極相比,GA陰極對抗生素CIP表現出良好的降解性能。改性陰極通常用加入金屬氧化物或納米粒子的方法來進行改性。Yu等[62]制備了沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)改性的ACF,以(ZIF-8)/ACF為陰極,電解20 min內,TC的去除率達100%,廢水中TOC的去除率達82.6%。Fu等[63]以2-氨基對苯二甲酸(NH2BDC)配體為前驅體,通過一步水熱法制備穩定的Cu/Fe氧化物修飾石墨氈(Cu0.33Fe0.67NBDC-300/GF)作為非均相電芬頓降解SMX的陰極,改性后的陰極pH在4.0～9.0的范圍內表現出良好的降解效率,當pH5.6,電解45 min后,SMX去除率達到了100.0%。此外,經過5次循環實驗,在電解75 min后,SMX去除率仍可達到95%以上。孫晨[64]通過氯化鋅改性生物炭降解SMX,反應90 min后,SMX的礦化率為37.3%。由此可見生物炭改性陰極降解抗生素廢水還有很大的提升空間。高偉杰[65]通過對氣體擴散電極進行改性制備出碳氮復合材料修飾氣體擴散電極(carbon and nitrogen-gas diffusion electrode, CN-GDE)和鈷碳氮復合材料修飾氣體擴散電極(cobalt carbon nitrogen composite modified gas diffusion electrode, Co-GDE)在非均相電芬頓體系中降解磺胺噻唑鈉(sulfathiazole sodium, STZ),碳氮復合材料和鉆碳氮復合材料與炭黑的最佳比例均為1∶5。在最佳反應條件為電流30 mA,pH3.0, Fe2+濃度為0.000 7 mol/L下,以最優化的Co-GDE(4#電極)為陰極,電解150 min后,TOC去除率接近80%,并通過重復利用性實驗證明了CN-GDE陰極穩定性優于Co-GDE陰極。楊貴珍[66]采用碳納米管、硝酸鈰、硝酸鉍共同改性Ce/Bi/CNTPbO2電極,通過電鍍沉積法制備Ce/Bi/CNTPbO2電極,當廢水中MNZ的初始濃度為200 mg/L,pH5.0,電解質濃度為0.14 mo1/L,電流密度為40 mA/cm2時,與未改性PbO2電極相比,同一反應條件下對MNZ的去除率可以提升1.2～1.4倍。此外,多次循環實驗表明改性Ce/Bi/CNTPbO2陰極具有良好的重復使用性和較高的安全性。由此可以看出,改性后的陰極可以保持較高的穩定性和優異的催化性能。非均相電芬頓陰極降解抗生素的應用如表3所示。

表3 非均相電芬頓陰極降解抗生素的應用

5 結論及展望

非均相電芬頓技術是一種高效、環保的抗生素廢水處理技術,因為其具有寬pH范圍、無鐵泥出現等優勢而具有良好的應用前景。鐵和氧化鐵負載材料通常具有高催化性能,已被證明是有效的催化劑。載體的性質對催化活性的調節起著至關重要的作用。利用納米粒子摻雜可以改變催化劑的物理化學性質,如減小粒徑、孔徑和增加表面積。此外,磁性納米粒子的使用簡化了它們與反應介質的分離和重復使用,因此,新納米粒子的使用有助于非均相催化劑在非均相電芬頓過程中的應用,但這些材料的潛在毒性有待于進一步研究。

將金屬氧化物作為催化劑并負載到活性材料中作為陰極,是研究熱點領域之一。碳材料陰極本身具有無毒、穩定的特性、較高的氧還原能力。復合陰極對廢水中抗生素的去除率較高,且在多次循環過程中,依舊保持高效的性能,但合成的復合陰極成本普遍較高。改性陰極因為具有良好的重復使用性和較高的安全性,所以在非均相電芬頓中具有廣闊的應用前景。針對非均相電芬頓技術降解抗生素廢水研究現狀,提出一些需要加強研究和亟待解決的重點、難點問題。

(1)針對非均相電芬頓催化劑目前存在穩定性差,pH在中性條件下催化活性較低,H2O2利用率較低的問題,提高非均相電芬頓催化劑的穩定性,尋求最佳反應條件,拓寬pH適用范圍和提高H2O2利用率。

(2)重視非均相電芬頓催化劑的回收和使用壽命,有利于提高催化劑的催化性能和較好地保護環境。

(3)針對非均相電芬頓陰極存在H2O2產量低、陰極表面氧化還原反應催化活性低的問題,重點開發綜合性能較好的陰極材料,重視非金屬摻雜對陰極進行改性的方法和H2O2產量高且氧化還原性能優異的復合陰極。

(4)加強對抗生素廢水的研究,擴大實驗研究規模,快速實現對抗生素廢水的高效去除和降低對環境的傷害。