在电化学高级氧化过程中，使用新型Ti4O7涂层石墨阳极优化医院废水中新兴污染物的降解

《Environmental Technology & Innovation》：Optimized degradation of emerging contaminants in hospital wastewater using novel Ti 4O 7 coated graphite anode in an electrochemical advanced oxidation process

去除低浓度新兴污染物对医院废水处理至关重要，电化学氧化（EO）因其可持续性成为研究热点。本文采用Ti4O7-coated石墨电极处理含抗生素混合废水，通过中心复合设计（CCD）优化pH（6.87）、电解质浓度（64.85 mM）和电流密度（7.23 mA/cm2），实现99.39%的抗生素去除率及81.27%的总有机碳（TOC）矿化效率。机理研究表明，羟基自由基（•OH）和活性氯物种（Cl2、HOCl等）协同作用主导降解过程，其中表面吸附氧化（DET）贡献显著。该技术对实际医院废水（rHWW）仍保持93%的抗生素去除率，且运行成本仅为0.26美元/m3，符合可持续发展目标（SDG 6）。

　　在当今全球面临日益严峻的水污染问题的背景下，医院废水（HWW）作为新兴污染物的重要来源，其处理技术的开发显得尤为重要。医院废水因其复杂的成分和高毒性而成为传统污水处理工艺难以有效处理的对象，其中抗生素残留尤为突出。由于抗生素在自然环境中难以降解，其长期积累可能对生态系统和人类健康造成严重威胁。因此，开发高效、可持续的处理技术对于减轻这些污染物对环境的影响具有重要意义。本文研究了一种新型的电化学氧化（EO）反应器，使用Ti?O?包覆的石墨板（Ti?O?@Gr）作为阳极材料，以处理合成医院废水（sHWW）中的抗生素和有机污染物。通过系统分析反应条件和优化参数，研究结果展示了该技术在处理复杂污染物方面的潜力。

### 1. 问题背景与研究意义

水污染问题日益加剧，主要源于各种工业、农业和生活活动对水体的持续排放。特别是新兴污染物（ECs）如抗生素、药物残留和有机化学品，它们往往无法被传统污水处理工艺有效去除，导致其在水体中长期存在并造成潜在危害。医院废水作为这类污染物的重要来源，其处理技术的研究不仅对环境保护具有重要价值，还对保障公共卫生安全具有深远影响。然而，现有处理技术在成本、效率和可持续性方面仍面临诸多挑战，因此，探索新型高效的处理方法成为迫切需求。

电化学氧化（EO）作为一种先进的氧化工艺（AOP），因其无化学试剂、高效率和可持续性等特点，被认为是处理复杂废水的有效手段。然而，寻找具有高氧气析出电位（OEP）且成本低廉的阳极材料仍是该技术推广的主要障碍。本文研究了Ti?O?@Gr阳极材料在EO处理中的应用，旨在开发一种高效、经济、可持续的解决方案。

### 2. 材料与方法

研究首先从Ti和TiO?的混合物出发，通过高温还原和湿化学方法合成Ti?O?@Gr阳极材料。实验采用三电极系统进行电化学测试，包括线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS），以评估材料的电化学性能。此外，通过3级中心复合设计（CCD）和响应面方法（RSM）对处理过程进行系统优化，以确定最佳的pH值、支持电解质浓度（[SE]）和电流密度（j）。

实验采用的合成医院废水（sHWW）包含多种抗生素，如环丙沙星（CIP）、左氧氟沙星（LFX）、氧氟沙星（OFX）、氨苄西林（AMP）和磺胺甲噁唑（SMX），这些污染物在常规处理中表现出较强的耐受性。通过调整反应条件，研究团队测试了不同参数对污染物去除效率的影响，并结合实际医院废水（rHWW）验证了该技术的实际应用效果。

### 3. 实验结果与分析

#### 3.1 材料表征

通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对Ti?O?@Gr阳极材料进行表征。XRD分析显示，Ti?O?形成了连续的Magnéli相层，而石墨基质的峰信号被有效抑制，表明Ti?O?在阳极表面形成了良好的覆盖。SEM图像显示，Ti?O?包覆的石墨阳极具有均匀的纳米结构和丰富的孔隙，这不仅提高了材料的导电性和稳定性，还增强了污染物与阳极表面的接触效率。

#### 3.2 电化学性能

电化学测试表明，Ti?O?@Gr阳极具有较高的氧气析出电位（OEP）和良好的电荷转移特性。LSV结果显示，该阳极在2.23 V vs. SCE时表现出较高的OEP，这一性能与硼掺杂金刚石（BDD）阳极相当，但成本显著降低。EIS测试进一步验证了其低电荷转移电阻（R_CT），表明该阳极在电化学反应中具有较高的电子传输效率。

#### 3.3 响应模型与优化

研究团队通过CCD和RSM方法构建了响应模型，以评估pH、[SE]和j对污染物去除效率的影响。模型的p值均小于0.0001，表明模型具有显著性。优化后的反应条件为pH 6.87、[SE] 64.85 mM和j 7.23 mA cm?2，这些条件在实验中验证了对CIP、LFX、OFX、AMP和SMX的高去除效率（>99.39%），以及对总有机碳（TOC）和化学需氧量（COD）的高矿化效率（81.27%和66.39%）。

#### 3.4 反应动力学分析

动力学研究显示，EO反应在不同pH、[SE]和j条件下均符合伪一级反应模型。在pH 6.87时，抗生素的去除效率达到最高，表明该条件有利于反应活性物种的生成。[SE]的增加有助于提高污染物的去除效率，但超过一定浓度后会因离子强度增加而限制污染物的扩散。电流密度的增加在一定程度上提高了反应效率，但过高则会导致能量消耗增加，降低整体经济性。

#### 3.5 反应活性物种的识别

通过自由基捕获实验，研究团队识别了反应中主要的活性物种。结果显示，羟基自由基（•OH）在去除污染物中起主导作用，而氯自由基（Cl•）和次氯酸（HOCl）也起到了辅助作用。Ti?O?@Gr阳极的高导电性和化学稳定性使其能够高效生成这些活性物种，从而实现污染物的降解和矿化。

#### 3.6 实际医院废水的处理效果

将Ti?O?@Gr阳极应用于实际医院废水（rHWW）的处理，结果显示其去除效率略有下降，但整体仍保持较高水平。研究指出，实际废水中的悬浮物和有机大分子可能影响污染物的扩散和活性物种的利用效率，从而降低去除效果。然而，Ti?O?@Gr阳极在实际废水处理中表现出良好的稳定性和处理效果，显示出其在复杂废水处理中的应用潜力。

### 4. 技术优势与环境意义

Ti?O?@Gr阳极在处理医院废水方面展现出显著优势。首先，其高OEP和良好电化学性能使其能够高效生成活性物种，实现对多种抗生素和有机污染物的去除。其次，该阳极具有成本低廉、易于制备和稳定耐用的特点，适用于大规模应用。此外，Ti?O?@Gr阳极的高导电性和化学稳定性使其在复杂水环境中具有良好的适应性。

从环境角度来看，该技术的应用有助于减少抗生素等污染物对水体的排放，提高废水处理效率，降低对生态系统的潜在危害。研究结果表明，该EO反应器在处理医院废水时，能够有效减少有机负荷，提高出水质量，符合联合国可持续发展目标（SDG 6）中关于减少有害物质排放的要求。

### 5. 未来展望与应用前景

尽管Ti?O?@Gr阳极在实验室条件下表现出色，但其在实际废水处理中的应用仍需进一步研究。未来的研究应关注阳极材料的寿命和稳定性，以及与生物处理技术的协同应用。此外，探索该技术与可再生能源的结合，有助于提高其可持续性，并推动其在偏远地区和分散式污水处理中的应用。通过优化反应条件和提升反应器设计，Ti?O?@Gr阳极有望成为医院废水处理领域的一项重要技术突破。

### 6. 总结

本文通过系统研究Ti?O?@Gr阳极在EO反应器中的应用，展示了其在处理医院废水中的高效性和经济性。该阳极材料具有高OEP、良好导电性和化学稳定性，能够有效去除多种抗生素和有机污染物。研究结果表明，该技术在处理合成和实际医院废水时均表现出优异的性能，为医院废水的可持续处理提供了新的思路和方法。通过进一步优化和推广，Ti?O?@Gr阳极有望成为未来污水处理领域的重要技术之一。