废弃木材热解制备生物质衍生阴极用于电化学高级氧化处理垃圾渗滤液的性能研究

本研究针对垃圾渗滤液中难降解有机物处理难题，开发了一种基于废弃柚木热解的生物质衍生阴极（BDC），通过优化热解温度（900°C）显著提升材料导电性（阻抗降低）和电化学活性表面积（7.8807 m2/g），在pH=3条件下实现77%的总有机碳（TOC）去除率，为低成本EAOPs（电化学高级氧化工艺）电极材料提供了可持续解决方案。

　　

随着全球城市化进程加速，垃圾填埋场渗滤液污染已成为严峻环境挑战。这类渗滤液含有高浓度难降解有机物（如腐殖酸）和氨氮，传统生物处理法对稳定期渗滤液（BOD/COD<0.1）效果有限。虽然电芬顿（EF）等高级氧化工艺能有效矿化污染物，但商用石墨电极依赖不可再生化石资源且成本高昂。在此背景下，印度理工学院卡拉格普尔分校的研究团队创新性地利用废弃柚木制备生物质衍生阴极（BDC），相关成果发表于《Journal of Water Process Engineering》。

研究采用热解法制备BDC电极，通过热重-差示扫描量热法（TGA-DSC）确定最佳热解温度（900°C），结合扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等技术表征材料特性，并采用电化学阻抗谱（EIS）评估导电性能。垃圾渗滤液样本取自印度喀拉拉邦填埋场，通过循环伏安法（CV）测试电极催化活性。

材料表征结果
SEM显示BDC形成微通道多孔结构，比表面积达7.8807 m²/g，较原始材料提升4.5倍。XRD和拉曼光谱证实材料石墨化程度提高，EDX显示碳含量显著增加（从绝缘体转变为导体）。EIS测试表明BDC电荷转移电阻低于石墨电极。

污染物去除效能
在pH=7.3条件下，BDC对COD、TOC、氨氮（AN）和总氮（TN）的去除率分别为30.6%、37.5%、32.7%和34.6%。酸性条件（pH=3）下TOC去除率跃升至77%，与石墨电极相当。这种pH依赖性可能与·OH自由基生成机制相关。

结论与意义
该研究首次将木质生物质成功转化为高效EAOPs阴极材料，突破性发现包括：①木质素高含量（10–25%）促进孔隙结构保留；②900°C热解实现碳材料导电性转变；③BDC在酸性环境展现与石墨电极相当的催化活性。这不仅为废弃木材资源化利用开辟新途径，更推动电化学水处理技术向可持续发展方向迈进。研究团队特别指出，BDC的管状微观结构（源自原生木质纤维素）为ORR反应提供了理想的三相界面，这种仿生结构设计优于传统人工碳材料。未来研究可进一步探索不同木质素含量生物质的性能差异及工业化放大生产可行性。