非均相电芬顿技术降解抗生素废水的研究进展

丛俏, 蔡国庆

(吉林建筑大学市政与环境工程学院, 长春 130000)

1 利用非均相电芬顿技术降解抗生素废水研究现状

非均相电芬顿技术目前大多是利用可循环使用的固体催化剂,在酸性或者中性的条件下,与通过二电子氧化还原反应(oxygen reduction reaction, ORR)原位生成的H2O2反应生成强氧化性的羟基自由基[7-8],并且其能够有效且无选择性地攻击多种有机物污染物[9]。

与均相电芬顿技术相比,非均相电芬顿技术具有如下的优势:①可在较宽pH范围内操作,因此可避免最终流出物的中和;②减少氢氧化铁污泥的形成;③催化剂易于处理,安全存储,可有效回收,并具有重复使用的可能性[10]。

近些年来,非均相电芬顿技术也遇到了阴极材料催化性能差、催化剂溶解以及使用寿命短等瓶颈和阳极材料成本过高等问题。因此制备稳定、高效的阴极和高导电性、高析氢电位、价格低廉的阳极材料已是迫在眉睫。

阳极材料也是非均相电芬顿技术中重要的组成部分,其中硼掺杂金刚石(boron doped diamond, BDD)和铂片具有很高的导电性和较高的析氢电位,但由于成本过高,限制了它们在非均相电芬顿中的工业化应用。一种被称作形稳型的阳极(dimensionally stable anode, DSA)以其较好稳定性得到广泛的关注[15],众多的DSA中,因为钛基二氧化铅阳极(iron-based lead dioxide, PbO2-Ti)阳极和钛基/锡锑氧化物(titanium/tin antimony oxide, SnO2/Sb-Ti)阳极具有耐腐蚀性、成本低、寿命长和良好的电催化活性等优点,所以人们对它们展开了广泛的研究。PbO2-Ti阳极表面具有较多的活性点位、较高的催化活性,展现了良好的电化学特性且具有较低的电阻。田江南[16]在PbO2-Ti作阳极,pH3.0,电流密度为50 A/m2,0.05 mol/L的Na2SO4为电解液的条件下,电解20 min后,罗丹明B(rhodamine B, RhB)的脱色率达到99.01%,在相同条件下电解180 min后,仍然有90.48%的RhB得到了矿化,表明了PbO2-Ti阳极对污染物具有较强的矿化能力。

2 利用非均相电芬顿技术降解抗生素废水反应机理

2.1 非均相电芬顿过程中H2O2活化的表面催化机理

在酸性条件下,H2O2在固体催化剂表面的分解机理简化为反应式(1)和反应式(2)。Fe2+在固体催化剂的表面上有效分解H2O2生成·OH,同时自身氧化成Fe3+[反应式(1)]。此外,在铁功能化阴极材料或固体催化剂中,还可能伴随着Fe3+/Fe2+的析出,非均相电芬顿反应机理与均相电芬顿相似[反应式(1)]。最后,通过·OH的攻击,有机污染物可以矿化为H2O和CO2[反应式(2)]。若产生过量的H2O2,·OH会与其发生反应,生成较弱的HO2·[反应式(3)]氧化剂,从而导致降解效率的降低。

(1)

(2)

(3)

在中性及碱性条件下,最初,电生成的H2O2更倾向于与铁基催化剂的Fe2+—OH/Fe3+—OH活性位点结合[反应式(4)和反应式(5)],形成前驱表面络合物Fe2+—OH(H2O2)(s)/Fe3+—OH(H2O2)(s),此外Fe2+—OH(H2O2)(s)在催化剂表面催化吸附的H2O2分解成·OH,并在反应期间将其转化为Fe3+—OH[反应式(6)]。然后表面的H2O2络合物可以通过可逆基态电子从配体转移到中心原子变成Fe2+—OH(HO2·)(s)[反应式(7)]。显然,反应式(7)的反应速率可以通过增加pH到碱性条件而显著加快,因为H+的快速消耗会迅速改变平衡,导致更多的Fe2+—OH的形成。这个循环会继续将电生成的H2O2转化为·OH自由基[17]。然后,后续的复合物将被激活到Fe2+—OH[反应式(8)]。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

综上所述,在不同的pH条件下,非均相电芬顿的表面催化机理是不相同的。

2.2 非均相电芬顿过程中ORR选择性电化学机理

在非均相电芬顿过程中阴极区发生四电子还原和二电子还原反应。直接四电子还原,O2在阴极生成H2O[17];二电子还原则是有利于O2在阴极还原成H2O2,因此,四电子还原为竞争反应[反应式(10),反应式(12)],二电子还原则为主要反应[反应式(9),反应式(11),反应式(13)][18]。 另外,在不同反应途径和pH的条件下,选择性ORR是不相同的[19]。通过在3种pH下的比较结果表明,与二电子 ORR相比,四电子ORR是一个具有更高标准电极电位的竞争反应,表明了它的热力学有利性。在酸性、中性、碱性的条件下,四电子ORR比二电子ORR生成的氧还原电位更高。

(1)当pH<7时,有

(9)

(10)

(2)当7

(11)

(12)

(3)当pH>11.7时,有

(13)

式中:E0为298.15 K和1个标准大气压下的标准氧化还原电位;RHE为可逆氢电极。

O2在电极表面的吸附方式对ORR通路的确定起着决定性作用[20]。氧的吸附方式包括格里菲斯(Griffiths)吸附、鲍林(Pauling)吸附和桥式吸附[21]。3种吸附方式特点及适用反应途径见表1。ORR的选择性和活性取决于O2分子在电极表面的吸附方式和结合能,适度的结合能和Pauling吸附有利于通过二电子ORR途径生成H2O2。因此,可以通过修饰电极的结构和组成,调节O2分子的吸附方式和结合能,实现高效的二电子ORR通路。

表1 氧的吸附方式

质子耦合电子转移和HOO*中间体是通过二电子ORR的2个重要步骤在活性位点上生成H2O2[22]。第一步是O2分子在催化剂活性位点上的吸附,随后与H+反应并通过电子转移形成HOO*中间体[反应式(14)][23]。第二步是HOO*中间体与另一个H+反应完成双二电子路径并形成H2O2[反应式(15)][24]。

(14)

(15)

式中:*表示活性位点。

3 非均相电芬顿催化剂

为了解决均相电芬顿技术的局限性,最近的研究表明:在降解废水中的有机污染物时,非均相催化剂比均相催化剂更有效[25],非均相电芬顿催化剂在降解有机废水方面具有广阔的应用前景[26]。

非均相电芬顿催化剂的重要特征有循环过程的固化和对宽pH范围的适应性。非均相电芬顿催化剂的优势主要体现在两个方面:一是表面催化反应将H2O2活化为羟基自由基;二是pH调节剂可作为多相催化剂。主要介绍非均相电芬顿技术中常用的两大类催化剂:铁矿类催化剂和负载型催化剂在非均相电芬顿中降解抗生素废水的应用。

3.1 铁矿类非均相电芬顿催化剂

为了克服传统均相电芬顿技术处理的缺点,人们尝试使用含氧化铁的多相催化剂来代替可溶性铁盐。近些年来,使用磁铁矿(Fe3O4)、黄铁矿(FeS2)、针铁矿(α-FeOOH)和零价铁(zero-valent iron, ZVI)作为非均相电芬顿催化剂研究较多。

3.1.1 磁铁矿

磁铁矿是一种混合价态的氧化铁,Fe2+离子的存在有利于通过哈伯·韦斯(Haber-Weiss)机制引发芬顿反应[27-28]。Fe3O4是广泛应用的几种常见铁氧体材料中的一种,Fe3O4同时含有Fe2+和Fe3+,并且具有优异的磁电性能、独特的氧化还原特性、良好的结构稳定性和可重复使用性[29]。

与传统的铁矿催化剂相比,磁铁矿降解难降解污染物的独特能力来自磁铁矿结构中的八面体位点,该位点可以轻松地容纳Fe2+和Fe3+离子。磁铁矿催化剂因具有孔隙多、磁性易分离回收并能加以循环使用的特点而可以作为吸附剂使用。此外,磁铁矿与H2O2反应生成·OH,可用于去除持久性难降解的有机污染物,而且在整个降解过程中不会存在催化剂的二次污染和损失过多等问题。

磁铁矿可以在实验室通过化学沉淀法,使用不同物质的量比的Fe2+和Fe3+混合溶液来制备,也可以在碱性条件下用溶剂热法合成。研究表明:Fe2+和Fe3+混合比例为1∶2时,能最大限度地沉淀磁铁矿。Nidheesh等[30]对电解过程中磁铁矿中Fe3+离子的浸出进行了评价,发现电解过程中无论任何阶段,溶液中Fe3+离子的浓度都高于Fe2+离子的浓度。在初始阶段,两种离子的浓度都突然增加,而Fe2+离子浓度在电解时间达到30 min后增加,然后下降,这可能是由于Fe3+离子再生Fe2+离子,使浓度出现波动。相反,Fe3+离子浓度随着电解时间的增加而增加,表明随着时间的增加,Fe3+从磁铁矿中浸出,以颗粒形式存在的磁铁矿可以减少对pH的依赖而有效降解污染物,反应后无铁泥的形成。Rahmatinia等[31]通过化学共沉淀法制备了纳米-Fe3O4非均相电芬顿催化剂,并用来去除废水中的甲硝唑(metronidazole, MNZ)。在初始MNZ浓度为70 mg/L,pH3.0,电流为200 mA,能耗为3.2 kW·h/m3的条件下,电解30 min后,MNZ的去除率为92.26%,表明磁铁矿和纳米颗粒结合的催化剂具有较高的催化性能。

3.1.2 黄铁矿

天然黄铁矿和合成黄铁矿既可以作为催化剂,也可以作为pH调节剂,在降解污染物方面具有重要的应用潜力。此外,黄铁矿还具有双重表面亲水性和不同pH介质下疏水性不同的特点[32]。

在非均相电芬顿过程中,用黄铁矿作为催化剂时,黄铁矿能够自发地调节可溶性Fe2+。随着黄铁矿投加量的增加,会使得溶液的pH下降,当反应达到平衡状态时,黄铁矿在不同浓度的溶液中会出现固定pH,直接地为非均相电芬顿反应创造了最佳条件。此外,黄铁矿还可以被回收和再利用。Barhoumi等[33-34]通过非均相电芬顿技术,以碳毡(carbon felt, CF)为阴极,使用黄铁矿作为催化剂分别去除废水中的四环素(tetracycline, TC)和磺胺甲嘧啶(tetracycline, SMR),在电流为1 A,pH 3.0的条件下,电解30 min后,TC的去除率达100%,电解4 h后,废水中的总有机碳(total organic carbon, TOC)去除率达到96.0%;在电流为1 A,pH 3.0的条件下,电解30 min后,SMR去除率达100%,电解8 h后,废水中的TOC去除率达97.0%。

3.1.3 针铁矿

针铁矿是一种分布广泛的土壤矿物,也是最稳定的铁氧化物之一。它因含量丰富、催化活性高、操作pH范围宽、铁在溶液中的可控浸出、表面积大和表面羟基含量高而被称为有效催化剂。但针铁矿作为催化剂也有缺点:需要较长的反应时间才能使污染物完全矿化,通常可以通过优化pH和调整电流密度来缩短反应时间。另外,针铁矿溶解度低,反应后溶液中的铁离子浓度低于其他矿物。α-FeOOH也是地球表面土壤和沉积物中无处不在的天然矿物,由于其丰富性、可用性、相对稳定性和低成本而被广泛用于废水处理中,并作为非均相电芬顿的催化剂使用。 Meng等[35]通过铁沉淀反应制备了α-FeOOH催化剂,具有优异的催化活性、高选择性和良好的热稳定性。

3.1.4 零价铁

ZVI作为非均相电芬顿催化剂在降解有机化合物方面受到广泛关注[36]。研究表明,随着ZVI比表面积的增加,可以原位生成更多的活性位点,从而提高了非均相催化过程的催化活性和反应速率。虽然ZVI具有较大的比表面积,但在反应溶液中容易发生团聚。针对其缺陷,可以引入沸石、介孔SiO2、碳纳米管和活性炭等支撑材料来避免ZVI团聚。此外,载体材料能有效分散ZVI纳米颗粒,增加比表面积,暴露更多活性位点,最终提高催化活性[37]。在具有磁性的芬顿活性材料中,微/纳米零价铁具有多种优势,如优异的反应性、相当宽的pH范围和耐钝化[38]。与均相电芬顿技术相比,废水中磁性ZVI的去除效果比溶解铁或铁污泥要更明显。此外,在接近中性的条件下,ZVI非均相电芬顿的反应活性显著。

3.2 负载型非均相电芬顿催化剂

负载铁和氧化铁的材料可以作为有效的催化剂,有利于溶液中芬顿混合物的存在。载体材料通常分为有机载体和无机载体。如离子交换树脂膜、碳纳米管、活性炭纤维、生物炭、碳毡载体、沸石、黏土等[39]。负载型催化剂可以避免金属氧化物析出大量离子导致产生二次沉淀污染,此外,负载型催化剂的使用可增加催化剂的表面积,能为其提供一种基体。通过将铁离子结合到适当的载体材料,可以增强反应体系的催化活性和催化剂的稳定性。载体具有的孔隙率高、吸附性好、本身不具有催化活性等特点,使负载型催化剂成为了目前非均相电芬顿降解抗生素废水的研究热点之一。夏艳[40]首次通过浸渍-锻烧法合成了氧基氯化铁/碳纳米管复合物FeOCl(56.8%)/CNTs,用FeOCl/CNTs复合物作为非均相催化剂来降解废水中的MNZ和诺氟沙星(norfloxacin, NFXN),在pH5.0,0.15 mol/L H2O2的反应条件下,电解60 min后,MNZ的去除率达99.3%,COD去除率达68.3%,且FeOCl/CNTs经过6个循环后,废水中MNZ的去除率仍可达到98%;同样,在电解60 min后,NFXN去除率达97%,COD去除率为57%。从催化剂的处理效果和稳定性来看,FeOCl/CNTs是非常具有应用前景的一种非均相电芬顿催化剂。董倩茹[41]通过水热法制备Fe3O4/碳毡作为催化剂降解废水中的TC,在初始电流为0.2 A,pH3.0,电解质浓度为0.1 mol/L,反应时间120 min的条件下,对TC的去除效果达到最佳,最高去除率可达到93.5%。催化剂循环使用5次后,对TC的去除率仍可达到86.3%。Du等[42]通过低温硫化MIL-53(Fe)制备了还原S改性的MIL-53(Fe)作为非均相电芬顿催化剂,且该催化剂可通过硫化法再生。在pH3.0,催化剂浓度为0.5 g/L, H2O2浓度为5.0 mmol/L的反应条件下,磺胺甲嘧啶(sulfamethazine, SMT)的去除率达到97.9%。即使在初始pH7.0时,SMT的去除率也能达到95.8%,表明掺S的MIL-53(Fe)是一种优良的pH调节剂,因此具有广阔的应用前景。Zhou等[43]采用化学共沉淀法制备了磁性碳@Fe3O4纳米(C@FONC)催化剂,此催化剂是由粉末活性炭(powder activated charcoal, PAC)和氧化铁纳米催化剂(ferroferric oxide nanocatalyst, FONC)组成的复合材料,利用二者的协同作用,120 min内TC的去除率达到97%,催化剂经过9次循环后,TC的去除率仍可达到85.8%。与传统非均相电芬顿催化剂相比,负载型催化剂表现出优异的性能。非均相电芬顿催化剂降解抗生素的应用如表2所示。

表2 非均相电芬顿催化剂降解抗生素废水的应用

4 非均相电芬顿阴极

非均相电芬顿的效率在很大程度上取决于阴极,阴极对过氧化氢的产生有很大的影响,不同阴极材料的选用,生成H2O2的量是不相同的。同时阴极材料需具备电阻效率低、集结电流能力强、使用寿命长和成本低等特点。

4.1 碳材料阴极

近些年来,纳米碳材料的飞速发展,让研究者们又开始将目光转向碳材料作阴极。因此,几乎所有用于产生H2O2的有效阴极都是使用各种碳材料制备,例如:碳毡、活性碳纤维(active carbon fiber, ACF)、生物炭、碳纳米管等。这些碳材料具有无毒、稳定的特性,并具有很高的氧还原潜力。

Barhoumi等[50]以碳毡为阴极降解左氧氟沙星(levofloxacin, LVF),在电流为0.3 A,pH3.0的反应条件下,电解8 h后,废水中TOC的去除率达95%。ACF作为一种典型的三维碳材料,具有较高的吸附容量、较好的导电性和较强的机械性,使其成为稳定阴极,并产生相对较大的H2O2积累。郭冬冬[51]以ACF作为阴极降解水中抗生素头孢氨苄(cephalexin, CLX),通过引入感应电极实现逐渐加入Fe2+,开发出感应电芬顿。在电流强度0.36 A,初始pH7.0,反应物初始浓度为200 mg/L条件下,90 min内CLX能降解完成。此外,在电解360 min后,有机物矿化率为62%。生物炭材料具有高孔隙率、较大的比表面积、丰富官能团、产量大和绿色环保的特点,是一种传统碳材料的理想替代品[52]。李柯宏[53]使用了松塔生物炭泡沫铁极板来降解SMR,在松塔生物炭烧结温度为700 ℃,电流密度为25 mA/cm2, pH3.0的条件下,180 min内,SMR的去除率达到了71.82%。碳纳米管是由单层或多层石墨片层卷曲而成的中空管状结构,壁面由C—C 键组成的六边形结构环绕而成,其物理化学性能优异,具备优良的光、电、热和力学性能[54]。夏艳[40]通过水热法制备P-CNTs,利用泡沫镍为基底以聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)为黏合剂和P-CNTs为催化剂制备了具有三维网状结构的气体扩散电极。P-CNTs作为催化剂为气体扩散电极原位产生H2O2,在非均相电芬顿中降解废水中的MNZ。在废水中MNZ初始浓度为200 mg/L,溶液初始pH3.0,阴极电位为-0.7 Vvs.SCE(相比与参比电极电势),Na2SO4电解质浓度为0.1 mol/L,Fe2+浓度为780 mg/L的条件下,电解60 min后,废水中MNZ的去除率达到99.3%,COD的去除率达到了68.3%。表明气体扩散电极在非均相电芬顿中具有良好的应用前景。

4.2 复合阴极

在非均相电芬顿中,为了克服负载催化剂的溶解、团聚和脱落导致降解效率降低等问题,复合阴极得到了发展[55]。因为复合阴极同时具有两种或者两种以上阴极的性能,所以能直接提高阴极的稳定性。

Yu等[56]以CoFe-层状双氢氧化物/碳毡为阴极去除NFXN,NFXN在pH3.0,电流为8 mA/cm2条件下,经过8 h电解后,矿化率达到98.63%,经过5次循环试验,矿化的催化活性达97%以上,表明所制备的阴极具有良好的可重复使用性。此外,在pH为3.0、6.0、9.0时,NFXN的矿化率分别为98.63%、98.54%、89.98%,说明在较宽pH范围表现出了极强的矿化能力。贺国华[57]通过化学沉淀法和搅拌法制备了Fe3O4/GO/泡沫镍复合阴极,用Fe3O4/GO/泡沫镍复合阴极降解NFXN,在电流为0.3 A,pH3.0,电解质浓度为0.05 mol/L,曝气量为200 mL/min的反应条件下,电解120 min后,COD去除率最大可达到78.9%,表明Fe3O4/GO/泡沫镍电极具有更大的应用前景。Lin等[58]采用同步碳化法,CoCl2和硫脲混合浸渍柚皮,60 ℃下干燥12 h,高纯N2碳化2 h,冷却,洗涤制备硫化钴/石墨化碳(CO9S8/PGC)复合阴极材料降解头孢,电解4 h后,头孢的去除率达84.3%。Wang等[59]通过液相还原法首次成功合成了碳球负载的纳米零价铁(carbon sphere-loaded nano-zero valent iron, NZVI/CSs)作为功能化复合阴极,并用于去除废水中的MNZ,当NZVI与CSs的最佳质量比为2∶1,pH3.33,电解90 min后,对MNZ的去除率为94.18%。Ghasemi等[60]使用一种包含碳纳米管(CNTs)和CuFe纳米层状双氢氧化物(nano-layered double hydroxide, NLDH)的复合阴极,用非均相电芬顿法降解头孢唑啉,在pH3.0,电解100 min条件下,头孢唑啉的降解率能达到89.9%。

4.3 改性阴极

H2O2的产生与阴极的性质密切相关,改性过后的阴极具有更好的表面结构、更强的导电性、更长的阴极使用寿命、更高的析氧电位、镀层更加致密规则和更强的附着力。例如,氧化石墨烯(graphene oxide, GO)具有巨大的比表面积,对有机污染物具有良好的吸附性,优异的导电性促进了电极与溶液界面的电子转移,可加速Fe3+的还原和H2O2的生成,其中的含氧官能团增加了阴极表面的活性位点,易与Fe3+离子配位形成新的化学键更易使Fe2+快速得到补充。Wang等[61]提出了一种具有高比表面积的大孔石墨烯气凝胶(graphene aerogel, GA)阴极,GA具有较低的电化学电阻和良好的电催化活性。与传统的碳纤维和石墨毡阴极相比,GA阴极具有更大的正氧还原电位,达到0.07 V(与饱和甘汞电极相比)。在90 min内原位电生成107.6 mg /L的H2O2,并在90 min和120 min内,环丙沙星(ciprofloxacin, CIP)降解率分别接近100%和91%。GA阴极因为具有较强的电荷转移能力而有利于Fe3+/Fe2+的转化,且具有出色的可重用性和稳定性,所以与未改性石墨烯阴极相比,GA阴极对抗生素CIP表现出良好的降解性能。改性阴极通常用加入金属氧化物或纳米粒子的方法来进行改性。Yu等[62]制备了沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)改性的ACF,以(ZIF-8)/ACF为阴极,电解20 min内,TC的去除率达100%,废水中TOC的去除率达82.6%。Fu等[63]以2-氨基对苯二甲酸(NH2BDC)配体为前驱体,通过一步水热法制备稳定的Cu/Fe氧化物修饰石墨毡(Cu0.33Fe0.67NBDC-300/GF)作为非均相电芬顿降解SMX的阴极,改性后的阴极pH在4.0～9.0的范围内表现出良好的降解效率,当pH5.6,电解45 min后,SMX去除率达到了100.0%。此外,经过5次循环实验,在电解75 min后,SMX去除率仍可达到95%以上。孙晨[64]通过氯化锌改性生物炭降解SMX,反应90 min后,SMX的矿化率为37.3%。由此可见生物炭改性阴极降解抗生素废水还有很大的提升空间。高伟杰[65]通过对气体扩散电极进行改性制备出碳氮复合材料修饰气体扩散电极(carbon and nitrogen-gas diffusion electrode, CN-GDE)和钴碳氮复合材料修饰气体扩散电极(cobalt carbon nitrogen composite modified gas diffusion electrode, Co-GDE)在非均相电芬顿体系中降解磺胺噻唑钠(sulfathiazole sodium, STZ),碳氮复合材料和钻碳氮复合材料与炭黑的最佳比例均为1∶5。在最佳反应条件为电流30 mA,pH3.0, Fe2+浓度为0.000 7 mol/L下,以最优化的Co-GDE(4#电极)为阴极,电解150 min后,TOC去除率接近80%,并通过重复利用性实验证明了CN-GDE阴极稳定性优于Co-GDE阴极。杨贵珍[66]采用碳纳米管、硝酸铈、硝酸铋共同改性Ce/Bi/CNTPbO2电极,通过电镀沉积法制备Ce/Bi/CNTPbO2电极,当废水中MNZ的初始浓度为200 mg/L,pH5.0,电解质浓度为0.14 mo1/L,电流密度为40 mA/cm2时,与未改性PbO2电极相比,同一反应条件下对MNZ的去除率可以提升1.2～1.4倍。此外,多次循环实验表明改性Ce/Bi/CNTPbO2阴极具有良好的重复使用性和较高的安全性。由此可以看出,改性后的阴极可以保持较高的稳定性和优异的催化性能。非均相电芬顿阴极降解抗生素的应用如表3所示。

表3 非均相电芬顿阴极降解抗生素的应用

5 结论及展望

非均相电芬顿技术是一种高效、环保的抗生素废水处理技术,因为其具有宽pH范围、无铁泥出现等优势而具有良好的应用前景。铁和氧化铁负载材料通常具有高催化性能,已被证明是有效的催化剂。载体的性质对催化活性的调节起着至关重要的作用。利用纳米粒子掺杂可以改变催化剂的物理化学性质,如减小粒径、孔径和增加表面积。此外,磁性纳米粒子的使用简化了它们与反应介质的分离和重复使用,因此,新纳米粒子的使用有助于非均相催化剂在非均相电芬顿过程中的应用,但这些材料的潜在毒性有待于进一步研究。

将金属氧化物作为催化剂并负载到活性材料中作为阴极,是研究热点领域之一。碳材料阴极本身具有无毒、稳定的特性、较高的氧还原能力。复合阴极对废水中抗生素的去除率较高,且在多次循环过程中,依旧保持高效的性能,但合成的复合阴极成本普遍较高。改性阴极因为具有良好的重复使用性和较高的安全性,所以在非均相电芬顿中具有广阔的应用前景。针对非均相电芬顿技术降解抗生素废水研究现状,提出一些需要加强研究和亟待解决的重点、难点问题。

(1)针对非均相电芬顿催化剂目前存在稳定性差,pH在中性条件下催化活性较低,H2O2利用率较低的问题,提高非均相电芬顿催化剂的稳定性,寻求最佳反应条件,拓宽pH适用范围和提高H2O2利用率。

(2)重视非均相电芬顿催化剂的回收和使用寿命,有利于提高催化剂的催化性能和较好地保护环境。

(3)针对非均相电芬顿阴极存在H2O2产量低、阴极表面氧化还原反应催化活性低的问题,重点开发综合性能较好的阴极材料,重视非金属掺杂对阴极进行改性的方法和H2O2产量高且氧化还原性能优异的复合阴极。

(4)加强对抗生素废水的研究,扩大实验研究规模,快速实现对抗生素废水的高效去除和降低对环境的伤害。