張忠亮,吳康,葉舟,華飛,姚有智

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院,安徽 蕪湖 241003)

隨著工業(yè)化、城市化的快速發(fā)展,工業(yè)廢水中難降解的污染物大量排放嚴(yán)重危害水體環(huán)境和人類(lèi)健康。鐵碳微電解(IC-ME)是去除含有有機(jī)污染物[1]、重金屬[2]、硝酸鹽[3]等難治理廢水的一種有效技術(shù),具有環(huán)境友好、成本低廉、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于印染[4]、電鍍[5]、制藥[6]、石油[7]等工業(yè)難治理廢水的預(yù)處理階段。IC-ME主要通過(guò)使用零價(jià)鐵(ZVI)作為陽(yáng)極、活性碳(AC)為陰極在廢水中自發(fā)構(gòu)成微觀(guān)原電池,電解過(guò)程生成的Fe2+、H2O2和[H]具有很高的反應(yīng)性,能與大多數(shù)污染物發(fā)生反應(yīng),使易溶解性有害物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶性、高價(jià)態(tài)有毒重金屬物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢r(jià)態(tài)、環(huán)狀大分子有機(jī)物開(kāi)環(huán)斷鏈變?yōu)橐捉到獾男》肿游镔|(zhì),同時(shí)伴隨著絮凝、電化學(xué)吸附、共沉淀等物理化學(xué)過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)有害物質(zhì)的高效去除[8-10]。

然而,由于鐵屑與碳材料之間存在密度差,傳統(tǒng)的填料在水中容易形成分層,同時(shí)Fe0易被氧化在表面形成鈍化層,減小與碳材料的實(shí)際接觸面積,從而減弱鐵碳之間的原電池反應(yīng)[11-12]。因此,不斷開(kāi)發(fā)新型IC-ME材料及新組合工藝來(lái)穩(wěn)定和增強(qiáng)微電解的性能成為當(dāng)務(wù)之急。

納米復(fù)合材料成為解決目前問(wèn)題的突破口。納米零價(jià)鐵(nZVI)顆粒由于具有更大的比表面積、更高的反應(yīng)活性和優(yōu)異的還原能力,與活性炭(AC)、生物炭(BC)、碳纖維、石墨烯形成復(fù)合材料不僅可以進(jìn)一步提升微電解對(duì)污染物質(zhì)的處理效率,而且有助于減少團(tuán)聚、分層、鈍化現(xiàn)象的發(fā)生[13]。常見(jiàn)的復(fù)合形式主要有:nZVI顆粒均勻負(fù)載在碳基質(zhì)上,從而提高納米零價(jià)鐵的分散性和反應(yīng)活性;以及通過(guò)碳基材料對(duì)nZVI進(jìn)行包覆形成核-殼結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)納米零價(jià)鐵的抗氧化性和穩(wěn)定性[14]。

本文主要介紹了鐵碳微電解技術(shù)的作用機(jī)理,綜述了納米鐵碳微電解復(fù)合材料的制備方法,并進(jìn)一步討論了各種因素對(duì)鐵碳微電解技術(shù)的實(shí)際影響,總結(jié)了納米鐵碳微電解復(fù)合材料在處理工業(yè)廢水中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 鐵-碳微電解納米復(fù)合材料的制備方法

1.1 機(jī)械研磨

機(jī)械研磨法是制備納米鐵碳復(fù)合材料的重要手段之一,通過(guò)將鐵源物質(zhì)和活碳源通過(guò)機(jī)械研磨、碾壓,晶體粒徑細(xì)化的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了均勻分散[15-17]。Wang等[18]通過(guò)直接將Fe0和AC加入高能球磨機(jī)中進(jìn)行機(jī)械研磨,從而達(dá)到顆粒細(xì)化的作用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在300 r/min的條件下研磨0.5 h后得到微米尺寸mZVI/AC復(fù)合材料,在酸性和厭氧條件下顯著提高了對(duì)Cr(VI)的去除,120 min去除率達(dá)94.01%。機(jī)械研磨使微米尺寸的ZVI較為均勻地分散在活性炭中,增加了Fe-C之間的有效接觸,有利于Cr(Ⅵ)還原為易被活性炭吸附位點(diǎn)吸附的低毒性的Cr(Ⅲ)。Gao等[19]通過(guò)研磨微米級(jí)Fe和AC合成納米復(fù)合材料,表征結(jié)果顯示Fe的晶粒尺寸得到細(xì)化,并均勻分散在AC中,在水溶液中能吸附90%以上的TCE,并隨后將TCE分解成非氯化產(chǎn)物。

機(jī)械研磨法成本低、工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)量高可批量化生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)效益明顯[20-21]。但機(jī)械研磨在制備納米零價(jià)鐵的過(guò)程中存在顆粒尺寸不均且產(chǎn)物顆粒易團(tuán)聚,從而影響處理效果,但通過(guò)調(diào)控球磨參數(shù)、加入研磨介質(zhì)可以緩解這些問(wèn)題。

1.2 化學(xué)共沉淀

化學(xué)共沉積是一種在水溶液中制備Fe0納米顆粒的常見(jiàn)方法,主要以Fe2+或Fe3+為前驅(qū)體,在存在還原劑(如硼氫化鈉(NaBH4-)或硼氫化鉀(KBH4-))的液相介質(zhì)中,惰性氣體的保護(hù)下,Fe2+或Fe3+吸附在碳材料表面被還原成nZVI。Wang等[22]通過(guò)硼氫化鈉還原制備了功能化氧化石墨烯負(fù)載Fe0納米顆粒復(fù)合材料,表征結(jié)果顯示,nZVI顆粒均勻地分布在氧化石墨烯納米片上,顯示出良好的分散性。Wu等[23]以FeCl3·6H2O和AC為原料,硼氫化鈉為還原劑,制備得到直徑約為20～40 nm的IC-ME材料,結(jié)果顯示該材料對(duì)Cr(VI)能達(dá)到99.5%。Hu等[24]通過(guò)還原共沉積法制備了nZVI/顆粒狀A(yù)C(GAC)的復(fù)合物去除硝基苯,在240 min反應(yīng)后,對(duì)比nZVI單獨(dú)的31.0%去除效率提高到93.0%。Wu等[25]經(jīng)液相化學(xué)沉積制備了生物基活性炭負(fù)載nZVI(AC/nZVI),用于處理水環(huán)境中氯霉素(CPA)。結(jié)果表明,AC不僅能夠?qū)崿F(xiàn)nZVI的負(fù)載,還能在有效改善nZVI分散性的同時(shí)降低nZVI粒徑。性能實(shí)驗(yàn)證實(shí),負(fù)載態(tài)nZVI材料形成的微觀(guān)原電池效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)CPA 的高效去除。

對(duì)比物理混合法具有更好的可控性,Fe0納米顆粒能均勻、穩(wěn)定地附著在碳基體上,顯示出良好的分散性,有效地避免了納米顆粒團(tuán)聚。此外,附著在碳材料官能團(tuán)上的Fe與包覆在碳材料中的鐵表現(xiàn)出低遷移率與抗氧化性。然而,利用BH4-還原制備Fe-C納米復(fù)合材料成本較高,硼氫化鈉作為制備IC-ME材料的還原劑,具有生物毒性,也會(huì)產(chǎn)生H2或B(OH)3副產(chǎn)品,對(duì)環(huán)境造成二次污染問(wèn)題[26]。

1.3 熱解碳法

熱解法也是制備Fe-C納米復(fù)合材料的常用方法,通過(guò)將含F(xiàn)e3+、Fe2+鹽及鐵的氧化物與葡萄糖、蔗糖、多巴胺等常被應(yīng)用作為碳源來(lái)作還原劑充分混合,惰性氣氛的保護(hù)下在反應(yīng)釜中高溫碳化還原形成Fe-C納米復(fù)合材料[27]。Lyu等[28]以球磨法為基礎(chǔ),結(jié)合熱解反應(yīng),通過(guò)以鐵-乙二胺四乙酸(Fe-EDTA)、鐵-氨基對(duì)苯二甲酸(Fe-ATA)和鐵-三聚氰胺(Fe-MA)配合物分別作為原材料進(jìn)行球磨,再經(jīng)過(guò)800 ℃碳化后制備得到直徑為4,6以及300 nm的碳包覆納米鐵顆粒,結(jié)果表明在添加和不添加過(guò)氧化氫的情況下均對(duì)磺胺二甲基嘧啶(SMT)表現(xiàn)出較強(qiáng)的催化降解能力。Cui等[29]通過(guò)污泥干燥后與Fe0和黏土混合在950～1 150 ℃下煅燒,并在N2氣氛下保存30 min后得到了新型催化微電解填料,對(duì)TC表現(xiàn)出很高的降解能力,在2.5 h內(nèi)去除率高達(dá)99.9%。Li等[30]以美人蕉、還原鐵粉和膨潤(rùn)土為原材料,在500 ℃的碳化溫度下制備植物基鐵碳微電解材料,研究發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高,有利于碳材料在后續(xù)使用中獲取電子的能力,加速As(Ⅲ)氧化為As(Ⅴ),從而降低對(duì)水體生物的毒性。

熱解法制備Fe-C納米復(fù)合材料是一種簡(jiǎn)單有效的方法,一方面不需要使用較為昂貴的還原劑(BH4-),而且有利于nZVI嵌入到碳基質(zhì)中,但這種碳化方法通常需要較高溫度,不適用于生物基碳材料,過(guò)高的溫度會(huì)破壞碳材料的結(jié)構(gòu)和性能。

Fe-C納米復(fù)合材料的制備方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)。機(jī)械研磨方法簡(jiǎn)單、有效、低成本,有利于大規(guī)模生產(chǎn)。雖然化學(xué)共沉積法可以有效地防止nZVI顆粒的聚集,實(shí)現(xiàn)均勻的分散,但在制備過(guò)程中需要添加還原劑。熱解法是一種簡(jiǎn)單有效的方法,但能耗較高增加成本,不宜于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。目前,綜合利用多種方法協(xié)同制備鐵-碳納米復(fù)合材料顯然是更好的選擇,不僅可以提高材料的產(chǎn)量,同時(shí)還能提高復(fù)合體系對(duì)污染物的去除效果。

2 鐵碳微電解納米復(fù)合材料的應(yīng)用效果影響因素

在IC-ME納米復(fù)合材料的處理難降解廢水過(guò)程中,鐵碳比、尺寸大小、熱解反應(yīng)介質(zhì)等因素對(duì)材料的性能有影響。

2.1 鐵碳比

鐵/碳的質(zhì)量比是決定微觀(guān)原電池?cái)?shù)量的關(guān)鍵因素,從而會(huì)影響IC-ME對(duì)去除污染物質(zhì)的性能。當(dāng)投入的Fe/C比例使用不當(dāng)時(shí),過(guò)少的鐵含量過(guò)低從而導(dǎo)致形成的較少的原電池?cái)?shù)量,導(dǎo)致還原性[H]和Fe2+較少,過(guò)多則會(huì)將造成Fe顆粒的聚集,生成[H]數(shù)量減少,從而降低IC-MC材料的降解能力。為了選擇合適的Fe/C比值,應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)陰極的吸附和盡可能多的微觀(guān)電動(dòng)電池的形成。Shi等[31]用化學(xué)共沉淀法制備了活性炭負(fù)載nZVI,并用以去除水中的高氯酸鹽。結(jié)果表明,當(dāng)納米零價(jià)鐵負(fù)載率為2%時(shí),復(fù)合材料GAC-Fe復(fù)合材料對(duì)高氯酸鹽去除效果最好,而納米零價(jià)鐵負(fù)載量過(guò)多或過(guò)少時(shí),去除效果均有所下降,機(jī)理研究認(rèn)為,當(dāng)納米零價(jià)鐵負(fù)載量較低時(shí),材料的還原性能有限,而負(fù)載率過(guò)高時(shí),鐵納米粒子則會(huì)堵塞活性炭表面孔道,導(dǎo)致材料吸附性能下降,二者都不利于高氯酸鹽的去除。Kong等[32]以高溫碳化還原合成CB/nZVI用于處理酸性As(V)廢水,當(dāng)Fe/C的物質(zhì)的量比1∶3時(shí),制得樣品性能最優(yōu),經(jīng)過(guò)連續(xù)兩級(jí)處理工藝后,出水質(zhì)量濃度從5 g/L降低至0.3 mg/L。Yang等[33]通過(guò)使用農(nóng)業(yè)廢棄的玉米秸稈碳化合成Fe/BC用來(lái)去除重金屬(Pb2+、Cu2+和Zn2+),研究發(fā)現(xiàn)鐵/碳比值是影響IC-ME材料性能的重要因素,在不同的Fe/C比值下,去除效果遵循nZVI-HCS(2∶1)> nZVI-HCS(1∶1)> nZVI-HCS(1∶2)> CS的順序。Zhang等[34]以磺胺甲惡唑(SMX)和諾氟沙星(NOR)溶液模擬廢水研究不同鐵碳投入量對(duì)抗生素廢水的降解效果的影響,結(jié)果表明投加的Fe/C比為1∶1時(shí),對(duì)質(zhì)量濃度為100 mg/L的SMX廢水降解效果最佳,降解率為41%;當(dāng)Fe/C比為1∶2時(shí)對(duì)質(zhì)量濃度為200 mg/L的NOR廢水降解效果最佳。Deng等[35]分別研究了不同體積比的Fe/AC復(fù)合材料(2∶3,3∶2和4∶1)中,結(jié)果表明,由于更高的比表面積和更多的微觀(guān)原電池,當(dāng)Fe/AC體積比為3∶2時(shí),對(duì)磷(P)去除性能最為優(yōu)異。

2.2 晶粒尺寸

在納米微電解體系中,nZVI的半徑大小也是影響IC-ME去除性能的重要因素,晶體的粒徑越小,比表面積越大,反應(yīng)活性越強(qiáng)。但在IC-ME體系中,鐵材料的抗氧化性以及分散性與微電解體系的污染物去除性能密切相關(guān)。隨著顆粒的減小,反應(yīng)活性升高,但也會(huì)不可避免帶來(lái)鈍化、團(tuán)聚現(xiàn)象,鈍化層會(huì)阻礙電子傳遞,致使反應(yīng)活性驟減。對(duì)納米零價(jià)鐵表面進(jìn)行化學(xué)改性以提高材料的抗氧化性,可有效保持鐵納米材料的反應(yīng)活性和分散性。

2.3 孔隙率

Fe-C納米復(fù)合材料的孔隙率大小主要受碳基材料種類(lèi)的影響,碳基材料主要以活性炭、生物碳、碳纖維、介孔碳、石墨烯為主,碳材料的孔隙率對(duì)鐵碳微電解的實(shí)際效果有重要影響。介孔碳由于可調(diào)的結(jié)構(gòu)性質(zhì),作為nZVI的負(fù)載碳基已被證明是一種有效的去除Cr(Ⅵ)的鐵碳微電解復(fù)合材料。Dai等[36]用熱轉(zhuǎn)化法合成了介孔碳負(fù)載nZVI復(fù)合材料(nZVI/OMC-3),并通過(guò)介孔碳的吸附和nZVI的還原作用去除Cr(Ⅵ),研究顯示,介孔碳豐富的孔道能提高Cr(Ⅵ)通過(guò)nZVI/OMC-3的傳質(zhì)速率,使Cr(Ⅵ)去除率在10 min內(nèi)達(dá)到99%;同時(shí),介孔碳能為nZVI提供保護(hù)層,防止nZVI的氧化,提高nZVI的穩(wěn)定性,nZVI/OMC-3對(duì)Cr(Ⅵ)的去除率在第7次循環(huán)后仍在60%以上。石墨烯負(fù)載也能加快電子轉(zhuǎn)移,提高nZVI的反應(yīng)活性。Xu等[37]將零價(jià)鐵負(fù)載在膨脹石墨烯上,制成復(fù)合材料(EG-ZVI),用于去除Cr(Ⅵ),結(jié)果顯示,該材料對(duì)Cr(Ⅵ)的去除率為98.80%,遠(yuǎn)高于EG(10.00%)和ZVI(29.80%)。

2.4 pH值

pH值被普遍認(rèn)為是傳統(tǒng)鐵碳微電解去除污染物過(guò)程中最重要的影響因素。一般而言,隨著溶液的pH值升高,鐵碳微電解材料對(duì)污染物的去除率逐漸降低,這是因?yàn)樗嵝詶l件會(huì)使nZVI表面的鈍化層腐蝕速度加快,有效減少nZVI鈍化對(duì)反應(yīng)的抑制作用,同時(shí)碳基nZVI復(fù)合材料的零點(diǎn)電荷在pH值=3.0～4.0,從nZVI表面更容易浸出Fe2+,有助于在低pH值下通過(guò)靜電吸引去除污染物。Li等[38]將纖維素和鐵氧化物開(kāi)展對(duì)新型鐵/碳復(fù)合材料的研究,結(jié)果表明,pH值影響了鐵碳納米復(fù)合材料對(duì)U(VI)的吸附性能。U(VI)在鐵碳復(fù)合材料上的吸附在pH值3.0～5.0時(shí)顯著增加,在pH值5.0～7.0時(shí)保持較高水平。然而,當(dāng)pH值大于7.0時(shí),由于U(VI)物種與帶負(fù)電荷的鐵碳材料之間的靜電排斥,污染物的吸附明顯下降。Wu等[39]進(jìn)行了一項(xiàng)研究,通過(guò)從廢物紙箱中提取的鐵碳復(fù)合材料,探討了初始pH值對(duì)去除染料的影響。結(jié)果表明,在pH值為2的酸性條件下,鉻酸鹽藍(lán)色染料(DB 56)和黃色顏料(RY 3)的去除率分別達(dá)到81.53%和96.77%。但通過(guò)石墨烯負(fù)載nZVI形成的復(fù)合材料去除Cr(Ⅵ)卻受pH值的影響相對(duì)較小,一方面是石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,并且對(duì)nZVI有很好的包覆作用,減少環(huán)境因素對(duì)nZVI的影響;另一方面石墨烯具有良好的導(dǎo)電性,能夠避免反應(yīng)產(chǎn)物Cr(Ⅲ)氫氧化物或Fe(Ⅲ)氫氧化物對(duì)nZVI的鈍化作用。因此,鐵碳微電解復(fù)合材料能有效克服傳統(tǒng)零價(jià)鐵復(fù)合材料對(duì)低酸堿度的依賴(lài)。

2.5 氧氣條件

nZVI由于具有較大的比表面積,容易發(fā)生氧化,被認(rèn)為是限制Cr(Ⅵ)去除率的主要因素之一。Hu等[24]分別對(duì)比研究了nZVI、GAC以及nZVI/GAC去除硝基苯,在處理240 min后,單獨(dú)采用nZVI或GAC處理的硝基苯去除率分別為31%和20%,而nZVI/GAC復(fù)合材料的去除率達(dá)93%。除了nZVI/GAC復(fù)合材料微電解作用以外,這種復(fù)合催化劑有效地降低了nZVI的氧化,提高了Fe2+的生成的可持續(xù)性。碳基nZVI復(fù)合材料能有效減少氧氣對(duì)Cr(Ⅵ)去除率的負(fù)面影響,延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間,因此碳基負(fù)載nZVI能一定程度上解決工程應(yīng)用中nZVI的儲(chǔ)存難題,降低nZVI氧化速率。Zhang等[40]合成的生物炭負(fù)載nZVI復(fù)合材料對(duì)電鍍廢水中的有害物質(zhì)Cr(Ⅵ)去除效率達(dá)到99.12%,并且在儲(chǔ)存一周后對(duì)總鉻的去除率仍能達(dá)到74.5%。

Sun等[41]對(duì)合成的NZVIs/OMC復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn),OMC介孔能顯著抑制NZVIs的聚集,有效緩解鐵氧化。并采用批量實(shí)驗(yàn)去除Cr(VI)和As(V)來(lái)評(píng)價(jià)nZVIs/OMC的反應(yīng)活性,結(jié)果表明nZVIs/OMC對(duì)水中Cr(VI)和As(V)的吸收率均接近100%,高于單獨(dú)使用nZVIs。

3 協(xié)同處理技術(shù)

為了進(jìn)一步提高IC-ME納米復(fù)合材料對(duì)廢水的反應(yīng)的速率,更好地降解廢水中難降解物質(zhì),結(jié)合Fenton、超聲波、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等協(xié)同處理,可以更好地提高Fe2+的釋放速率,從而提高Fe-C微電解過(guò)程。

3.1 Fenton協(xié)同效應(yīng)

IC-ME與Fenton技術(shù)結(jié)合協(xié)同處理難降解污染物質(zhì),具有成本低、效率高的特點(diǎn)。Fenton技術(shù)以Fe2+為催化劑使H2O2分解產(chǎn)生·OH進(jìn)行化學(xué)氧化的廢水處理方法。協(xié)同作用時(shí)節(jié)約了Fe2+藥劑投加成本,相較于單獨(dú)使用其中一種,對(duì)污染物質(zhì)的處理效果也大幅提高。Huang等[42]采用IC-ME聯(lián)合Fenton技術(shù)處理松節(jié)油加工廢水,通過(guò)批量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在Fe-C微電解之后,廢水中的COD可以通過(guò)Fenton反應(yīng)和后續(xù)的pH值調(diào)整得到進(jìn)一步降解。Wang等[43]采用IC-ME-Fenton組合工藝處理染料廢水(Pink 12B dye),研究發(fā)現(xiàn)單獨(dú)使用IC-ME時(shí),染料無(wú)法被完全降解,主要由于共軛結(jié)構(gòu)雖然被破壞,但形成的中間產(chǎn)物苯環(huán)、萘環(huán)沒(méi)有被破壞。當(dāng)結(jié)合Fenton工藝時(shí),苯環(huán)和萘環(huán)在·OH的氧化作用下氧化為H2O和CO2。

3.2 超聲協(xié)同效應(yīng)

IC-ME與超聲(US)技術(shù)聯(lián)用也被廣泛的研究。Liu等[44]分別研究了Fe0/GAC、Fe0/GAC-US對(duì)偶氮AO7的降解效果,發(fā)現(xiàn)在US-Fe0/GAC之間觀(guān)察到了明顯的協(xié)同效應(yīng),可以加速待廢水的傳質(zhì)速率,而且可以有效地去除電極表面附著的反應(yīng)中間產(chǎn)物或反應(yīng)產(chǎn)物,增加反應(yīng)位點(diǎn)。Malakootian等[45]研究了用Fe/C-US去除酸性紅18,在1 h后酸紅18和TOC的去除效率分別為98.98%和76.5%。由于US的存在,產(chǎn)生了空化效應(yīng),導(dǎo)致局部壓力和溫度升高,從而促進(jìn)產(chǎn)生大量活性自由基,如H·、O·和·OH。

3.3 臭氧曝氣協(xié)同效應(yīng)

O3作為強(qiáng)氧化劑會(huì)氧化廢水中的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物,以達(dá)到消毒、脫色的目的。Zhang等[46]采用新型臭氧曝氣內(nèi)部微電解過(guò)濾器(OIEF)去除偶氮染料RR2,通過(guò)該工藝S實(shí)現(xiàn)了完全脫色,TOC去除效率為82%。Fe2+可以促進(jìn)O3的分解,從而加速污染物的去除,而鐵離子的催化作用會(huì)使溶解的Fe2+和Fe3+之間相互轉(zhuǎn)化,減少了ZVI的溶解。

3.4 電場(chǎng)、磁場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)

電場(chǎng)、磁場(chǎng)會(huì)影響水溶液中宏觀(guān)電流電池形成、加速鐵的腐蝕速率。Zhao等[47]通過(guò)外加磁場(chǎng)的方式結(jié)合IC-ME技術(shù)處理AO7,結(jié)果顯示施加磁場(chǎng)會(huì)降低了電荷轉(zhuǎn)移電阻,增加了微電解系統(tǒng)的電流密度,Fe-C變得更容易受到電化學(xué)腐蝕,由于Fe2+的釋放速率在對(duì)比無(wú)磁場(chǎng)作用的微電解系統(tǒng)得到加速,AO7的降解率明顯提高。外加電場(chǎng)對(duì)IC-ME的增強(qiáng)機(jī)制主要是由極化促進(jìn)了Fe的溶解。Xie等[48]設(shè)計(jì)了一種新型電輔助微電解過(guò)濾器(E-ME),用于處理烹飪廢水,對(duì)比結(jié)果顯示COD的去除率明顯提高,甚至高于單獨(dú)的電解和IC-ME去除效率的總和。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

鐵碳微電解納米復(fù)合材料比較于傳統(tǒng)的微電解材料,有著更大的比表面積,更高的反應(yīng)活性,并且解決了nZVI易氧化、易團(tuán)聚、機(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn),通過(guò)碳負(fù)載、碳包覆的方式,提高了在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的其穩(wěn)定性、反應(yīng)性和可持續(xù)性,對(duì)促進(jìn)其在難降解廢水的應(yīng)用起到了積極的作用。通過(guò)介紹和梳理近年來(lái)納米鐵碳微電解復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展,從鐵碳微電解的原理、制備方法和影響應(yīng)用效果的因素總結(jié)不難看出:1)納米鐵碳復(fù)合材料有助于減少磁性顆粒之間的團(tuán)聚、氧化,降低成本;2)nZVI負(fù)載或包覆在碳基質(zhì)中能普遍提高復(fù)合材料的穩(wěn)定性,同時(shí)也促進(jìn)電子的轉(zhuǎn)移提高了微電解技術(shù)對(duì)難降解物質(zhì)的去除效率;3)納米鐵碳復(fù)合材料能一定程度上降低微電解技術(shù)對(duì)環(huán)境的依賴(lài)性,但仍受到鐵碳比、空隙率、pH值等因素的影響。針對(duì)日益復(fù)雜的廢水環(huán)境,鐵碳微電解技術(shù)的去除機(jī)理、制備方法和影響因素有待更深入、更系統(tǒng)的研究,特別是在復(fù)合材料的綠色合成方法、可控制備、定向去除污染物、改性研究以及與其他技術(shù)協(xié)同效應(yīng)研究仍是鐵碳微電解技術(shù)未來(lái)研究的重點(diǎn)。

1)可使用資源豐富的植物多酚等綠色還原劑替代硼氫酸鈉等價(jià)格昂貴的還原劑,降低成本且減少二次污染;

2)碳材料的選擇上可以選擇使用更易獲取的生物質(zhì)碳來(lái)作為碳源物質(zhì),探究環(huán)境更為友好、制備更為簡(jiǎn)單的多孔結(jié)構(gòu)碳材料制備方法;

3)制備方法上應(yīng)考慮操作更加簡(jiǎn)單、成本更低可批量生成的合成方法,降低生產(chǎn)成本,簡(jiǎn)化制備過(guò)程,充分發(fā)揮應(yīng)用潛力。

4)探究鐵-碳處理技術(shù)與其他水處理技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用,進(jìn)一步拓展微電解技術(shù)處理廢水的適用范圍。