電芬頓技術在處理PPCPs廢水中的應用

中圖分類號：069；X52 文獻標志碼：A文章編號：1004-0935（2025）07-01255-03

藥品和個人護理用品（pharmaceuticalandpersonalcareproducts，PPCPs）是非常典型的一大類新污染物[1-2]，包括各種藥品、護膚品、洗漱用品、香水以及醫用顯影劑等。很多PPCPs具有生態毒性、內分泌干擾性和生物累積性等。高級氧化技術（AOPs）是一種當下高效的廢水處理技術，其核心原理是產生羥基自由基，利用羥基自由基將有機污染物及其中間產物礦化生成水和二氧化碳。高級氧化技術具有氧化效率高、氧化性強、不產生二次污染等優點。

1電芬頓技術的研究

電芬頓原理是利用氧化還原反應，在通電的情況下能夠持續生成 H₂O₂ ！ Fe²⁺ 再生，二者反應生成羥基自由基 （?oH ），來攻擊廢水中的污染質。其優勢在于避免了 H₂O₂ 儲存、運輸中潛在的風險。根據催化劑形態類型的不同將催化劑分為均相催化劑和非均相催化劑，均相電芬頓技術是以陰極原位產生 H₂O₂ 與外加 Fe²⁺ 源反應生成強氧化劑·OH的過程，非均相電芬頓體系則是常以含鐵鹽固體催化劑代替傳統游離態鐵離子作為 H₂O₂ 的催化載體構建電芬頓體系，即同時具有陰極原位生成 H₂O₂ 和催化劑氧化HO2生成自由基的過程[-]。

2 陰極材料的選擇

2.1 碳材料

碳材料成本低并且具有一定的吸附性，抗腐蝕能力很強、容易負載、導電性和催化性良好，具有較高的析氫電位，并且以碳作為基底，其反應比表面積大、無毒、穩定性好，可以高效產生 H₂O₂ 并將其分解產生活性自由基，使其在光/電輔助芬頓體系中起著非常重要的作用[2]。實驗室常見的碳基陰極材料有碳氈（CF）、碳納米管（CNT）、石墨烯、石墨氈（GF）、活性炭纖維（ACF）、空氣擴散電極（GDE）等。WANG等°在900 C 的氮氣氛中，將石墨氈用強堿處理，使得氧化還原反應的活性位點增加，促進 H₂O₂ 的生成。邢海雙等13]采用活性炭纖維改善污泥的脫水性能，污泥的SRF和含水率明顯下降，脫水性能得到改善。盧素敏等4以碳氈做陰極處理印染廢水，實驗結果表明經過 3h 電解后，脫色率和COD的去除率可分別達到 99.61% 及73.31% 。

2.2 非金屬改性碳材料

以碳材料為基體，摻雜非金屬物質進行改性，如引入碳納米管、乙炔黑、多孔碳等其他碳成分或者雜原子摻雜，如摻氮、摻硫、摻硼等[]。其可以增加材料表面的活性位點，提高 H₂O₂ 的生成量。改性材料的制備方法也較多，如超聲浸漬[16-17]、軋制、熱壓制、涂刷和電沉積等。楊新明等利用石墨氈為基體，利用浸漬法將碳納米管、炭黑和聚四氟乙烯負載，與石墨氈相比，改性石墨氈表現出更高的 H₂O₂ 生成量。曹天軼制備了氮摻雜多孔碳氈材料（NPC/GF），實驗表明，改性碳氈 2h 內產生的 H₂O₂ 濃度是原始碳氈的10倍。ZHU等制備了一種氮化碳石墨基電極用于電芬頓體系中降解磺胺噻唑，在電流密度為 50mA 、 ΔpH 為3的條件下，在反應的180min 內，溶液中的 H₂O₂ 濃度最高達到457.45μmol?L^-1 。

2.3金屬/碳基復合材料

將含鐵鹽的固體催化劑負載到電極陰極的非均相電芬頓技術，處理效果好，起催化作用的可以是金屬或金屬氧化物[15]。這些金屬催化劑被稱為雙功能催化劑。此外，一些過渡金屬單原子催化劑和無金屬碳催化劑由于其良好的催化活性也顯示出作為雙功能催化劑的前景。YAO等2采用層狀Fe²⁺/Fe³⁺ 雙氫氧化物/碳氈電極降解水中的環丙沙星結果表明，在 pH 為3～9時，電極都能進行工作，溶液中的環丙沙星去除率達到了 91.3% 。

2.4 泡沫類金屬

泡沫類金屬是一種三維結構的新型材料，其面積大、吸附性好，鎳、銅、鐵是目前常用的泡沫金屬材料。馮卓然等采用泡沫鎳三維電極電芬頓法處理焦化廢水，使焦化廢水COD去除率達到 75.5% 苯酚去除率達到 75.7% 。有研究采用 Mn/ 炭黑-泡沫鎳電極電化學降解諾氟沙星，諾氟沙星的去除率可達 83.9% ，TOC 的去除率可達 69.2%^[22-24] 。LUO等[25]利用 Cu 摻雜 Fe@Fe2O₃ 負載于泡沫鎳電極上降解四環素，經過 2h 反應，四環素幾乎完全去除。

3 影響因素

3.1 pH

大量實驗結果顯示， ΔpH 為3時，利用電芬頓技術對污染物的去除效果最佳。但水的強酸性，不利于污水的后續處理。何盈盈等22通過 Mn₃O₄/ACF 復合陰極類電芬頓體系降解亞甲基藍廢水，實驗效果證明當 pH 為3～5時，對亞甲基藍廢水的處理效果均非常理想，在 97% 以上。馮凡等2利用改性CNT負載納米鐵作為陰極來降解左氧氟沙星，實驗結果表明，當實驗進行 240min ， ΔpH 為3～9時，去除率可達 92.7%.95.7% 。王爽等以炭黑和聚四氟乙烯（PTFE）對石墨氈進行改性作為陰極，改性后電極在中性條件（ pH 為7下， H₂O₂ 產量達到最高。

3.2 電流密度

易師等2采用正弦交流電芬頓法去除廢水中的四環素，當電流密度從 0.231mA?cm^-2 增加到0.694mA?cm^-2 時，TC去除率從 86.96% 提高到了 91.95% 。當電流密度持續增加到 0.926mA?cm^-2 時，TC的氧化降解效果反而下降，因此過高的電流密度阻礙了H₂O₂ 的產生、積累和轉化，抑制降解速率。趙龍飛等[2采用 Fe₃O₄@CF 電極在非均相電芬頓系統降解四環素，當外加電流為 10～50mA ，四環素的去除率與外加電流成正比[25]

3.3曝氣量的影響

三維電極法中曝氣的目的主要有兩個：一是促進傳質與擴散，曝氣量的增加有利于改善水力條件，減少短路電流的產生，提高電解效率。二是為反應器提供氧氣，溶解氧的含量直接影響著·OH、0Cl^- 、： 0^2? 等氧化性中間產物的生成，從而影響污染物的間接氧化去除[28]。

3.4粒子電極投加量的影響

粒子電極是三維電極法的核心，被電場極化的粒子電極可以獨立執行與電解槽相同的功能[29-30]。增大粒子電極投加量可擴大電極表面積，增加微型電解槽的數量，縮短電極間距，強化物質傳質過程，提升電解質的電導率，從而促進電化學反應的進行。

3.5 極板間距

極板間距也是影響電化學反應的重要因素，極板間的電阻隨間距的減小而降低，極板間距過大，電子的轉移速度降低，減少 H₂O₂ 的生成，從而減少了活性氧化物的產生，但過小的極板間距也易導致陰極上的Fe2+被氧化成 Fe³⁺ ，從而不利于電芬頓反應的進行。因此，不同的污水量，污水濃度，要選擇合適的極板間距，調整極板間距對PPCPs的降解率也有很大的影響。

3.6 反應時間

反應時間對電芬頓處理PPCPs類廢水也有很大的影響。反應時間短，反應不充分，達不到較好的處理效果；反應時間過長，處理效果變化微弱，浪費時間和實驗材料。韓穎等31采用生物炭修飾陰極的電芬頓技術處理水中的磺胺甲惡唑，實驗在前60min，污染物濃度下降明顯，去除速率較快；在實驗反應 2～3h 時，去除率的增幅下降顯著，降解6h后，污染物的降解率為 86.99% ，繼續延長降解時間，降解效果不顯著，因此 6h 為最佳的降解時長。

3.7 其他影響因素

除了實驗條件的影響之外，在制備材料過程中，制備材料的方法和條件對污染物的處理效果也有很大的影響，不同的煅燒溫度會影響合成材料的表面結構，大量研究結果表明，煅燒溫度在 300～400° 時，合成材料對污染物的去除效果最好。除此之外，負載之后，材料煅燒時間也會影響材料的處理效果，煅燒時間過少，達不到想要的處理效果，煅燒時間過長，會破壞材料的表面結構，從而影響處理效果，因此，不同的實驗情況，要選擇合適的煅燒溫度。合成材料的比例對實驗效果也有一定的影響，材料和黏合劑的比例對處理效果也各不相同，選擇合適的材料比例在電芬頓處理廢水中也至關重要。

4結論

本文綜述了電芬頓技術的催化劑分類，各種改性材料的選擇以及在處理PPCPs類廢水的影響因素，建議今后從以下方向繼續進行改進。

（1）活化 H₂O₂ 產生活性氧化物是電芬頓技術在實際廢水治理中的關鍵因素

（2）引進光電結合的電芬頓技術可以大大提高處理效果，節約處理成本。

參考文獻：

[1]劉兆娜．水污染與生態環境保護現狀及防治對策[J].清洗世界，2024，40（10）：160-162.

[2]賀德春，鄭密密，黃偉，等.污水處理過程中典型PPCPs的污染特征及降解轉化研究進展[J].環境科學，2024，45（6）：3247-3259.

[3]樊月婷，昌盛，張坤鋒，等.疫情背景下長江中游地區典型飲用水源中PPCPs分布特征與風險評估[J].環境科學，2022，43（12）：5522-5533.

[4] 陸蛟野，劉林鋒，劉仲謀.高級氧化去除自然水體中藥品及護理產品應用研究[J].化工設計通訊，2024，50（9）：119-120，155.

[5] FAN H， YIG， ZHANG Z， et al. Fabrication of Ag particles deposited BiVO4photoanodeforsignificantlyefficientvisible-light drivenphotoelectrocatalyticdegradationof β -naphthol[J].JournalofEnvironmentalChemical Engineering，2022，10（2）： 107221.

[6] 梁鑫華，周欣然，袁輝，等.電芬頓去除垃圾滲濾液中COD運行條件的響應面法優化[J].環境監測管理與技術，2024，36（5）：60-63.

[7]楊新明，郭珊珊，孫倩，等.基于氣體擴散電極的電芬頓技術去除水中抗生素的研究進展[J].環境化學，2023，42（11）：3801-3812.

[8]寇曉曉，曹安琪，袁怡.改性石墨氈陰極非均相電芬頓法處理酸析后堿減量廢水[J].環境科學學報，2025，45（2）：78-87.

[9]ZHAOMC，MAXD，LIRX，et al.In-situslow production ofFe2?to motivateelectro-Fenton oxidation ofbisphenol ainaflowthrough dual-anodereactor using current distribution strategy：advantages，CFD and toxicityassessment[J].ElectrochimicaActa，2022，411：140059.

[10]WANGY，LIUY，WANGK，etal.PreparationandcharacterizationofanovelKOHactivated graphitefeltcathodefortheelectroFentonprocess[J].AppliedCatalysisB：Environmental，2015，165：360-368.

[11]羅長鑫，田曦，李鵬程，等.電芬頓耦合工藝氧化降解制藥廢水研究進展[J].當代化工，2024，53（7）：1716-1719，1724.

[12]周思穎，趙麗，朱靜平.三維電芬頓法處理含氰廢水實驗研究[J]水處理技術，2024，50（7）：42-48.

[13]邢海雙，馮凡，郭波，等.活性炭纖維陰極電芬頓氧化法改善污泥脫水性能[J].化工環保，2023，43（5）：668-675.

[14]盧素敏，李獻朋，尹良珂，等.碳氈電極用于電芬頓脫色性能及機理研究[J].水處理技術，2023，49（8）：55-59，65.

[15]王爽，呂月琴，劉星宇，等.Co基碳材料雙功能催化劑在電芬頓體系中高效降解環丙沙星[J].高等學校化學學報，2024，45（9）：125-135.

[16]何然，梁宏，黃洪，等.乙炔黑 /Fe₃0₄ 陰極制備及電Fenton氧化降解2，4，6-三氯苯酚[J].化工進展，2025，44（1）：572-582.

[17] YU F K， ZHOU M H，YU X M. Cost-effective electro-Fenton usingmodified graphitefeltthat dramaticallyenhanced on H₂O₂ electro-generation without external aeration[J]. Electrochimica Acta，2O15，163：182-189.

[18]曹天軼.氮摻雜多孔碳電極的制備及電芬頓法去除水體中難降解有機污染物的研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020.

[19] ZHUY， QIUS，DENGF，etal.Enhanced degradation ofsulfathiazolebyelectro-Fenton process using a novel carbon nitride modified electrode [J].Carbon，2019，145：321-332.

[20]YAOB，LUOZ，YANGJ，etal.Fe（I）Fe（III） layered doublehydroxidemodified carbo-n feltcathode forremoval ofciprofloxacinin electro-Fenton process[J]. Environmental Research，2O21，197： 111144.

[21]馮卓然，程平統，竇波林，等.泡沫鎳三維電極電芬頓法預處理焦化廢水效能研究[J].給水排水，2020，56（S2）：114-119.

[22]何盈盈，孟建，馬亞利，等.寬pH條件下 Mn₃O₄/ACF 復合陰極類電芬頓體系降解亞甲基藍[J].化工學報，2017，68（1）：305-312.

[23]馮凡，郭波，曹群，等.改性CNT負載納米鐵陰極的電芬頓法降解左氧氟沙星[J/OL].中國環境科學，1-10[2025-07-09].https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20240325.007.

[24]李陽，陳琳，黃心睿，等. Mn/ 炭黑-泡沫鎳電極電化學降解諾氟沙星[J].能源環境保護，2024，38（1）：134-142.

[25] LUOT，FENGH，TANGL，etal.Efcient degradationof tetracycline byheterogeneous electro-Fenton process using Cu-doped Fe@Fe2O3：mechanism and degradationpathway[J]. Chemical Engineering Journal，2020，382：122970.

[26]易師，周益輝，雷細平，等.正弦交流電芬頓法去除廢水中四環素的試驗研究[J].工業用水與廢水，2024，55（2）：31-36.

[27]趙龍飛.鐵錳基復合電極材料制備及其光/電協同芬頓降解四環素性能研究[D].長春：吉林大學，2023.

[28]丁佩佩，劉欣宇，王春蕾，等.酸處理碳氈陰極增強電芬頓降解左氧氟沙星性能研究[J].水處理技術，2024，50（3）：59-63，70.

[29]叢俏，蔡國慶.非均相電芬頓技術降解抗生素廢水的研究進展[J].科學技術與工程，2023，23（21）：8928-8937.

[30]張立，賀珊珊，鎮祥華，等.污水廠新興有機污染物去除工藝及展望[J].環境工程，2024，42（7）：15-24.

[31]韓穎，龔志豪.生物炭修飾陰極在電芬頓法處理水中磺胺甲惡唑的研究[J].環境科技，2024，37（3）：25-29

Application of Electric Fenton Technology in Treating PPCPs Wastewater

WU Xiaohui， WUNana

（School ofMunicipalandEnvironmental Enginering，Shenyang Jianzhu University，Liaoning Shenyang 110168，China）

Abstract： Drugsand personalcareproducts （PPCPs）arearelativelynewtypeof polutant in wastewaterpolution，whichhasbeen widely concemed bypeople.TheelectroFentonprocess，asanadvanced oxidationprocess（AOPs），has highoxidationefcency strong oxidationperformance，andisotpronetosecondarypolltio.TheelectroFentontechologyisconstantlyimprovingandits applicationstatusisdscussedfromtreeaspects：catodematerialscatalysts，andinfuencingfactos.Thedevelopmentditioof electro Fenton technology for degrading PPCPswastewater is also discussed.

Keywords：Electric Fenton;Catalyzer;Cathode;PPCPs