電化學(xué)法去除水中溴酸鹽的研究進(jìn)展

摘要：含溴離子水源水在臭氧消毒過(guò)程中產(chǎn)生的溴酸鹽具有一定的DNA和染色體水平的遺傳毒性，被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)列為潛在致癌物質(zhì)。本文綜述了國(guó)內(nèi)外采用不同電極電催化去除溴酸鹽的研究成果。

關(guān)鍵詞：溴離子；溴酸鹽；電化學(xué)；去除

一、地表水源中的溴離子

地球上大部分的溴元素以Br^-的形態(tài)存在于咸水湖和海水中，自然水體中的Br^-濃度通常為0.015～0.2mg/L。溴離子本身無(wú)毒性，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB5749-2006》中也未規(guī)定其限值標(biāo)準(zhǔn)。但其作為溴酸鹽等消毒副產(chǎn)物的前體物，含量決定著后續(xù)水處理工藝中溴酸鹽的可能產(chǎn)生量。一般認(rèn)為當(dāng)原水中溴離子濃度在50-100μg/L之間時(shí)，經(jīng)過(guò)臭氧高級(jí)氧化工藝有可能形成溴酸鹽，若原水中溴離子濃度超過(guò)100μg/L，嚴(yán)重時(shí)溴酸鹽將超過(guò)飲用水標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大容許濃度（100μg/L）。

二、飲用水中溴酸鹽的產(chǎn)生途徑

溴酸鹽由于能夠致DNA損傷、致癌及致畸而受到廣泛關(guān)注，被世界衛(wèi)生組織（WHO）定為2B級(jí)潛在致癌物。

目前對(duì)BrO₃^-生成機(jī)制研究較多的是臭氧消毒工藝。臭氧消毒工藝中溴酸鹽的生成途徑通常分為三種：一是O₃直接氧化途徑，二是直接一間接氧化途徑（先O₃氧化后·OH氧化），三是間接一直接氧化途徑（先·OH氧化后O₃氧化）。除此之外，黃鑫等人使用UV/C₁₂聯(lián)合工藝處理長(zhǎng)江原水時(shí)發(fā)現(xiàn)部分溴離子被氧化生成溴酸根離子。

三、電化學(xué)去除溴酸鹽

國(guó)內(nèi)外針對(duì)溴酸鹽的去除技術(shù)開(kāi)展了大量的研究工作，主要包括活性炭吸附法、離子交換法、光降解法、化學(xué)還原法及電化學(xué)法。其中電化學(xué)法利用特制的電極，在不添加化學(xué)試劑的情況下通過(guò)電解達(dá)到降解污染物目的，以其環(huán)境友好、工藝形式靈活、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于飲用水的消毒及污染物去除。

電化學(xué)去除溴酸鹽主要是通過(guò)溴酸鹽溶液在電極上發(fā)生還原反應(yīng)達(dá)到去除目的，主要通過(guò)兩個(gè)途徑：直接還原和間接還原。直接還原是指溴酸鹽直接在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；間接還原是指利用電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中H⁺或H₂O電解產(chǎn)生的強(qiáng)還原性氫原子H⁺作為催化劑還原溴酸鹽的方法。

Naoyuki Kishimoto和Nobuaki Matsuda研究了溴酸鹽在活性炭氈電極反應(yīng)器中的去除情況，考察了pH、電壓等因素對(duì)還原效果的影響。結(jié)果表明電壓為7V時(shí)，接觸反應(yīng)9.2s后達(dá)到最優(yōu)去除率為52%。

Liang Ding等人通過(guò)原位化學(xué)氧化法合成聚苯胺/多壁碳納米管修飾玻碳電極還原溴酸鹽。反應(yīng)60min后，初始濃度為10mg/L的溶液去除率最高，為48.9%。而用聚苯胺改性玻碳電極后還原溴酸鹽，pH為7時(shí)反應(yīng)25min后去除率可達(dá)99%。實(shí)驗(yàn)中溴酸鹽的還原產(chǎn)物Br^-會(huì)持續(xù)摻雜到聚苯胺鏈中，致使聚苯胺改性電極的電催化性能隨著電還原反應(yīng)的進(jìn)行而降低。

K.Matziaris等人對(duì)錫電極進(jìn)行了電化學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明錫電極對(duì)溴酸鹽有很好的催化還原性能，反應(yīng)150min后能去除75.6%的溴酸鹽。

Naoyuki Kishimoto等人研究了分層銅網(wǎng)做陰極快速去除水中溴酸鹽的可行性，實(shí)驗(yàn)表明在中性pH附近，經(jīng)過(guò)3.6min的反應(yīng)可將初始濃度為30μg/L的溴酸鹽溶液降解至10μg/L。

李昂臻等人比較了石墨電極、碳紙電極、泡沫鎳電極及泡沫銅電極對(duì)溴酸鹽的去除效果，在反應(yīng)時(shí)間10min內(nèi)，泡沫銅電極去除率最高，泡沫鎳電極次之。反應(yīng)60min后泡沫銅電極去除率可達(dá)到97.7%，且隨著陰極電勢(shì)的降低，去除率先升高后降低。

黃鑫、劉佳等人通過(guò)一步化學(xué)沉積法在Ni foam基底上負(fù)載Pd顆粒，極大增加了其比表面積和活性位點(diǎn)，過(guò)渡金屬Pd易于將水解產(chǎn)生的H^*儲(chǔ)存在其晶格中，形成表面化合物Pd-H^*，增強(qiáng)了整個(gè)電極對(duì)BrO₃^-的催化去除能力。在pH為7時(shí)反應(yīng)3h后對(duì)溴酸鹽的去除率可達(dá)到90.7%，還原產(chǎn)物主要為Br^-。

四、結(jié)語(yǔ)

電化學(xué)法具有一定的去除溴酸鹽的效果，不同電極的催化還原溴酸鹽性能差異較大，電極是實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵因素，決定著處理過(guò)程中的反應(yīng)速度和電流效率等，性能優(yōu)良的催化電極是取得滿意去除效果的前提。