先进的氧化工艺（AOPs），如芬顿氧化、电化学氧化、臭氧氧化等，被认为是最有前途的废水处理方法，AOPs产生的羟基自由基对有机化合物没有选择性。因此，难降解的有机化合物可以直接被氧化甚至降解为水和二氧化碳。通过电芬顿法还原合成过氧化氢，引起了人们的广泛关注。低氧利用率和低过氧化氢产量仍然是电芬顿在废水领域广泛应用的障碍。电化学反应产生的原位过氧化氢取决于阴极的电化学性能和反应器的结构。而石墨毡因其无毒性，良好的稳定性、导电性和耐化学性得到了广泛的应用，通过水热合成法改性能进一步提高其性能。非均相双室反应器能提高过氧化氢的利用率，更好的参与到有机物的降解中。

本文用La掺杂氧化铈（La-CeO₂）改性的新型石墨毡（GF）作为阴极，提出了一种新型的双室电芬顿反应器，采用有机超滤膜防止过氧化氢向阳极扩散。研究了水热温度、时间和尿素浓度对石墨毡电化学性能的影响。在水热温度为120 °C、尿素浓度为0.55%（质量）的最佳条件下，改性阴极上的过氧化氢的累积浓度达到218.4 mg·L^–1，甲基橙的降解率达到98.29%。该新型电芬顿反应器能高效地产生过氧化氢来降解各种有机物质，在化学工业中具有很高的废水处理潜力。

图1 非均相双室反应器

将石墨毡切割成50 mm×40 mm×3 mm，用去离子水在超声波浴中洗涤0.5 h，80 °C环境下干燥。将石墨毡、0.65 g Ce(NO₃)₃、0.11 g La(NO₃)₃和不同尿素质量浓度（0.15%、0.35%、0.55%、0.85%和1.00%）置于聚四氟乙烯内衬不锈钢反应器中进行水热合成。石墨毡被标记为GF、La₂O₃/GF、CeO₂/GF和La-CeO₂/GF。在双室反应器上进行了过氧化氢渗透超滤膜的性能试验。超滤膜将电芬顿反应器分成两个单元。右腔室中含有0.05 mol∙L^–1硫酸钠，过氧化氢含量较低，而左腔室中仅含有0.05 mol∙L^–1硫酸钠，每个腔室的溶液体积为150 ml，甲基橙渗透的试验过程与过氧化氢相似，右腔室含有0.05 mol∙L^–1硫酸钠和Mo（25 mg∙L^–1）。用扫描电子显微镜观察了改性和未改性石墨毡的形貌。用X射线光电子能谱分析了修饰电极的能谱和价态。在10⁵~10^–2 Hz的频率范围内，采用10 mV的线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）评价电极的电化学性能。加入显色剂（草酸钛钾），用400 nm波长紫外-可见分光光度计测定电化学反应和渗透产生的过氧化氢浓度。采用紫外-可见分光光度计测定在电芬顿降解有机物过程中甲基橙的浓度。采用共沉淀法制备了Co₃O₄-MnO₂@Al₂O₃颗粒作为电芬顿过程中的催化剂，可以有效降低铁泥的沉淀，同时也有利于催化剂的回收再利用。

图2  (a)La-CeO₂改性石墨毡和(b)未改性石墨毡的扫描电镜图像，改性石墨毡中(c)Ce和(d) La的元素彩色映射图像

利用扫描电镜对石墨毡（GF和La-CeO₂/GF）的表面形貌进行了表征。如图2(a)和(b)所示，改性石墨毡纤维的表面比未改性纤维更粗糙，并且被改性物质La-CeO₂覆盖，导致改性石墨毡的碳纤维与电芬顿溶液的表面积增加，促进在阴极生成过氧化氢。采用X射线光谱（EDX）元素映射法，进一步识别了样品中元素的组成信息。图2(c)和(d)显示，Ce和La元素在改性石墨毡上均匀分布，充分说明通过简单温和的水热合成法，成功的将Ce和La两个元素掺杂在了改性石墨毡的纤维之上，在电芬顿反应过程中，La-CeO₂改性石墨毡中存在大量的氧空位，有利于阴极的吸氧能力，促进了氧还原反应，大大的增强了非均相双室电芬顿生产过氧化氢的能力，提高了对有机物的降解能力。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cjche.2022.04.006

来源：CJChE中国化学工程学报