图文摘要
近日，烟台大学高常飞副教授课题组在Separation and Purification Technology 上发表了题为“Improved degradation of tetracycline, norfloxacin and methyl orange wastewater treatment with dual catalytic electrode assisted self-sustained Fe2+ electro-Fenton system: regulatory factors, mechanisms and pathways”的研究论文，在这项研究中，采用钛网作为基底的PbO2/SnO2阳极和不锈钢作为基底的Ag@ZOF阴极，并在溶液中引入牺牲铁阳极，实现了Fe2+的内源供应和有机废水的高效去除。通过SEM、XRD、XPS以及电化学分析等手段证明了催化剂的成功复合和电极优异的电化学性能。结果表明，在pH范围3.5-4.0、铁面积10 cm2、电流强度9 mA的优化条件下，该工艺能够自支撑产生H2O2和Fe2+，电流效率经计算高达92.37%。对四环素、诺氟沙星、甲基橙均有较好的降解效果，降解效率分别为99.1%、92.8%和100%。
第一作者：刘雨婷，通讯作者：高常飞副教授（烟台大学）
论文DOI：doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120232
背景简介
在2020年全球爆发新冠疫情期间，人们使用了大量的抗生素，然而，抗生素使用的激增增加了更多细菌的耐药性，并使世界暴露于超级细菌的爆发。染料广泛应用于纺织、造纸、医药等相关行业。将染料废水排放到水生系统中会影响水生植物的光合作用，所以开发高效、简单、环保、经济的技术来处理抗生素废水和染料废水仍然非常紧迫。
高级氧化工艺（AOPs）是一种快速有效的去除有机物的技术。在本实验中，牺牲铁棒阳极被引入到酸性溶液中的反应器中，牺牲阳极不接电源，但能溶解适量的Fe2+参与芬顿反应。阴极和阳极由直流供电。阴极表面的氧分子通过双电子还原反应生成H2O2。生成的H2O2与溶液中的Fe2+迅速反应生成·OH和Fe3+。·OH可以非选择性地氧化有机物并使其降解。这是一种新的Fenton装置，可以同时在线生成 Fenton 反应所需的两种试剂（H2O2/Fe2+）。
无机或金属有机骨架（MOF）纳米颗粒作为催化剂添加到电极上以参与水处理已应用于许多实验。结合锌基有机骨架（ZOF）和Ag@ZOF的催化剂被用作芬顿的阴极材料，可以显着改善污染物的降解。Ag@ZOF具有大的比表面积、低成本和易于制备的特性，同时增强了纳米复合材料的分子筛和传输性能。本实验中的阳极材料是在钛网上电沉积PbO2/SnO2 颗粒。PbO2具有制备容易、化学稳定性高、成本低等优点。SnO2具有多孔结构且稳定。将两者结合合成PbO2/SnO2阳极材料。对反应的最适pH,电流强度，铁面积进行了探索验，结果证实了对抗生素，染料等废水的去除有良好的效果。
图文解析
通过SEM检测催化电极的表面形貌。处理后的钛网表面光滑。根据EDS分析，钛网的主要元素为Ti，未附着其他杂质。电沉积30分钟后，SnO2-PbO2颗粒已经附着在钛网表面，分布比较均匀。SnO2-PbO2阳极表面粗糙度增加，比表面积增加。经酸洗碱洗后的不锈钢网表面光滑，易于电沉积。EDS分析表明，Fe、Cr、Ni、Mo、C等元素均为不锈钢基体所含元素，无其他杂质。在ZOF-SS表面形成致密的电沉积层，旁边形成的ZOF颗粒具有清晰的晶体结构并且排列紧密。通过EDS分析，Zn和N元素被添加到电极表面。表明在电极表面成功合成了ZOF。Ag@ZOF与SS紧密贴合，SS被完全覆盖。表面形成许多针状结构，中间掺杂ZOF晶体。从EDS还可以看出，大量的银和硫元素聚集在电极表面。结果表明，Ag@ZOF催化剂完全附着在SS上，Ag@ZOF-SS电极具有优异的催化性能。
本实验研究了四环素，诺氟沙星和甲基橙初始浓度对污染物降解效率的影响。实验以Ag@ZOF-SS电极为阴极，PbO2/SnO2电极为阳极，调节pH为3，铁面积为10 cm2，施加电流强度为9 mA，设置初始浓度为 10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L 和 25 mg/L的污染物溶液，对污染物进行降解。实验表明，随着TC浓度的增加，降解所需的时间增加。当污染物浓度为10mg/L时，经过150分钟的降解，TC的降解率达到99.1%。当浓度增加到15mg/L、20mg/L和25mg/L时，150分钟后降解效率分别达到99%、97.8%和95%。
通过LC-MS检测四环素，诺氟沙星和甲基橙污染废水降解过程中产生的中间体。最终都形成最终产物二氧化碳和水。
总结与展望
本研究制备了一种新型材料电极Ag@ZOF-SS作为反应器的阴极，并将PbO2/SnO2电极用作阳极。将铁片作为牺牲阳极，它提供了Fenton反应中需要的Fe2+离子。通过控制pH值、铁面积和电流强度的变化，获得了最佳实验条件。此外，通过自由基淬灭实验，探究了在芬顿反应中起主要作用的自由基。此外，还推测了四环素，诺氟沙星和甲基橙的降解途径。本研究为控制新型冠状病毒全球爆发背景下大量使用且难以降解的抗生素提供了可行的策略。
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120232
主要作者介绍
第一作者
刘雨婷 硕士生
工作单位：烟台大学环境与材料工程学院
邮件地址：lyt_980826@163.com
通讯作者
高常飞（副教授）
工作单位：烟台大学环境与材料工程学院
邮件地址：gcf1999@126.com
通讯作者：高常飞副教授长期从事环境工程技术研发、水污染特种功能膜研制、非贵金属催化剂制备及多联耦合工艺集成技术等方面的研究，作为项目负责人先后承担了环境保护部环保专项、辽宁省环保专项、山东省重大科技创新项目、扬州佳境科技有限公司科技开发项目等10余项纵向及横向项目。在纯水制备、废水处理、固废处置、环境监测、污染物分析与控制、膜材料研发、水处理耦合集成技术成套设备及单体设备开发等方面取得多项成果，科研成果已在企业工程项目中实现技术成果转化，为企业创造效益达5000多万元。2007年获得山东招金膜天有限公司优秀技术骨干称号；2012年获得辽宁省环境保护厅优秀工作者称号；2018年获得辽宁省自然科学成果奖二等奖。在国内外核心期刊发表相关学术论文15篇，其中近3年在JMS、JPS、BT等Top5 SCI一区期刊发表论文13篇，单篇论文影响因子IF＞5。申请国家发明专利14项，其中7项已获授权。近年主持省重大创新工程项目、省自然科学基金面上项目、教学研究课题合计十余项。
