Mn/炭黑-泡沫镍电极电化学降解诺氟沙星_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

电Fenton技术绿色清洁高效，可被应用于医药等多种行业产生的难降解废水。本文为提高电Fenton阴极材料催化效果，制备Mn/炭黑-泡沫镍复合电极，用于诺氟沙星的电化学处理，在阴极原位电生成H₂O₂，提高阴极材料的使用寿命，弥补传统电Fenton技术的不足。

通讯作者简介

王营茹教授

王营茹，女，博士/教授，硕士生导师，武汉工程大学化学与环境工程学院副院长。研究方向：水处理技术及资源综合利用。多年来一直从事环境工程专业本科教学工作，在国内外学术期刊公开发表学术论文40余篇，主编规划教材1部。先后主持或参与国家及省级纵向项目10余项，横向项目50余项。承担的科研项目：《锂盐改性累托石的吸附机理及电化学行为研究》《粗颗粒铁精矿磨矿造球试验研究》《提高预磨系统效率的研究》《LT超细粉末的研制》《难降解有机废水生物质添加剂的制备及应用研究》等；参编：《污水处理厂守法导则》《水泥企业环境守法导则》；参加湖北省生态环境厅项目《污染源普查数据审核和质量评估项目--湖北省东部工业污染源普查数据审核和质量评估》。

Mn/炭黑-泡沫镍电极电化学降解诺氟沙星

作者

李阳¹，陈琳¹，黄心睿¹，文志潘²，明银安¹，王营茹^1，∗

单位

1. 武汉工程大学化学与环境工程学院

2. 武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室

基金项目

1. 国家自然科学基金资助项目（52170170）

2. 武汉工程大学第十四届研究生教育创新基金资助项目（CX2022434）

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摘要

电化学法降解水中有机污染物具有低碳、高效等特点。本文采用共沉淀法制备Mn/炭黑-泡沫镍电极，通过场发射扫描电镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）对电极进行了表征，考察了外加电压、极板间距、电解质浓度和诺氟沙星初始浓度对其降解效果的影响。结果表明，Mn/炭黑-泡沫镍电极可促进·OH的产生，强化电芬顿效果。钛钌—Mn/炭黑-泡沫镍电极在外加电压6V，极板间距15mm，电解质浓度20mmol/L，诺氟沙星初始浓度10mg/L条件下，诺氟沙星去除率可达83.9%，TOC去除率69.2%，能耗为9.6kW·h/m³。对比钛钌—泡沫镍电极，在相同条件下，Mn/炭黑-泡沫镍电极的诺氟沙星去除率提高了15.8%，能耗降低了0.6kW·h/m³并且电流效率提高，反应速率明显加快，表明该电极对抗生素类污染物降解具有较好的催化作用。

研究背景

抗生素是指微生物或高等动植物代谢过程中产生的具有杀灭或抑制其他微生物作用的活性物质。我国抗生素年生产量占全球总量的15%（23.14万吨），使用量约占全球50%（18万吨）。目前，抗生素被广泛应用于治疗人和动物的疾病，抗生素摄入量的60%~90%以原药或者代谢产物的形式排出生物体外，并通过多种途径对环境和人类健康造成危害。

为解决环境中抗生素污染问题，采用物化法、生物法及电化学高级氧化技术等方法进行处理。其中电化学高级氧化技术是一种反应速度快、无二次污染、使用范围广的绿色技术，主要借助产生的羟基自由基（·OH）等高活性物质降解有机污染物，最终将其转化为小分子有机物、CO₂和水。电Fenton技术是在化学Fenton反应基础上发展起来的电化学高级氧化技术。传统Fenton技术存在产生大量含铁污泥、H₂O₂运输成本高等问题。为解决以上问题，本文研制了一种复合电极，其具有更强的氧还原活性和更高的稳定性，可在阴极原位生成H₂O₂，弥补传统芬顿技术的不足，同时体系中锰基催化剂之间的价态循环使电极具有良好的稳定性，为抗生素废水的电化学处理提供依据。

电极材料对电Fenton技术的效率起着关键性作用，目前常用的有碳基材料、泡沫金属等。泡沫镍属于三维结构的特殊金属材料，具有比表面积大、吸附性能好等特点，是理想的阴极材料。泡沫镍的三维结构不仅有利于O₂的传递，并且较大的比表面积可增加活性位点，提高电流效率，降低能耗，从而产生更多的H₂O₂，同时泡沫镍价格低廉易得。冯卓然等采用泡沫镍三维电极电芬顿法处理焦化废水，在pH为7，泡沫镍、泡沫铁投加量分别为1.35、1.75g条件下，焦化废水COD去除率为75.5%，苯酚去除率为75.7%。谭玉荣等以泡沫镍为阴极，以黄瓜仿生Fe₃O₄负载泡沫镍对罗丹明B进行降解，罗丹明B在反应50min时降解率高达81.8%。然而单纯的泡沫镍电极因其独特的孔隙结构，导电性不均匀且结构不稳定，容易出现崩解和孔隙堵塞，电极寿命较短。本文以诺氟沙星（NOR）为处理对象，采用泡沫镍作为基体材料，制备Mn/炭黑-泡沫镍复合电极，通过场发射扫描电镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）对其进行表征，观察电极的表面形貌和结构，探究外加电压、极板间距、电解质浓度及NOR初始浓度对NOR降解效果的影响，通过测定H₂O₂产生量、总有机碳（TOC），借助拉曼光谱扫描推测其降解机理。

部分图片

图1 钛钌-泡沫镍电极降解NOR影响因素探究

图2 泡沫镍和Mn/炭黑-泡沫镍处理NOR废水对比图

图3 NOR降解紫外-可见光谱扫描及TOC测定

引文格式

李阳,陈琳,黄心睿,文志潘,明银安,王营茹.Mn/炭黑-泡沫镍电极电化学降解诺氟沙星[J/OL].能源环境保护:1-9[2024-01-18].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240119.

LI Yang,CHEN Lin,HUANG Xinrui,WEN Zhipan,MING Yinan,WANG Yingru.Electrochemical treatment of norfloxacin with Mn/carbon black-nickel foam electrodes[J/OL].Energy Environmental Protection:1-9[2024-01-18].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240119.

　　责任编辑：宫在芹

Mn/炭黑-泡沫镍电极电化学降解诺氟沙星

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