综述：硼掺杂金刚石电极在电化学高级氧化工艺中去除抗感染药物的研究进展

《Desalination and Water Treatment》：Environmental Remediation of Anti-Infective Drugs Using Boron-Doped Diamond Electrodes: Opportunities and Challenges

本综述系统评述了硼掺杂金刚石（BDD）电极在电化学高级氧化工艺（EAOPs）中去除水中抗感染药物（如抗生素、抗真菌药和抗病毒药）的研究进展。文章详细比较了电氧化（EO）、电芬顿（EF）、光电芬顿（PEF）等多种BDD基技术的降解效率、机理、影响因素（如电流密度、pH值）及能耗，并分析了副产物（如高氯酸盐）的形成与控制策略，为开发高效、可持续的废水处理技术提供了重要参考。

　　

抗感染药物水污染与BDD电极电化学处理技术概述

随着全球范围内抗感染药物（包括抗生素、抗真菌药和抗病毒药）的广泛使用，这些物质及其代谢产物通过多种途径进入水环境，形成持久性微污染物，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。常规的废水处理工艺往往难以有效去除这些痕量但高生物活性的物质，因此，开发高效、深度处理技术迫在眉睫。在众多高级氧化工艺（AOPs）中，基于硼掺杂金刚石（BDD）电极的电化学高级氧化工艺（EAOPs）因其强氧化能力、高稳定性及可产生大量非选择性羟基自由基（·OH）等优势，展现出巨大的应用潜力。BDD电极具有极高的析氧过电位，能有效抑制析氧副反应，从而将电流高效用于生成活性氧物种（ROS），实现对有机污染物的高效降解乃至完全矿化。

BDD电极的特性与电化学氧化机理

BDD电极是一种以硅、铌、钽等为衬底，通过化学气相沉积法镀上一层掺硼金刚石薄膜的电极材料。其卓越的性能源于金刚石sp³杂化碳的宽电势窗口、低背景电流、极高的物理化学稳定性以及优异的抗腐蚀能力。在电化学氧化（EO）过程中，当施加的阳极电势高于水的分解电势时，BDD阳极表面主要通过水分子放电生成物理吸附的·OH（BDD(·OH)）。这些吸附在电极表面的·OH具有极高的氧化能力（E⁰ = 2.80 V vs. SHE），能无选择性地攻击并破坏有机污染物的分子结构，使其逐步降解为小分子中间体，最终矿化为CO₂、H₂O和无机盐。与Pt、IrO₂、PbO₂等传统阳极材料相比，BDD电极在降解多种抗感染药物时通常表现出更快的降解速率和更高的矿化效率，尤其在处理高浓度、难降解有机物方面优势明显。

各类电化学高级氧化工艺及其效能

电氧化（EO）：是BDD电极最基础的应用形式。研究表明，BDD-EO能有效降解磺胺甲恶唑（SMX）、四环素（TTC）、氯霉素（CHL）、左氧氟沙星（LEV）等多种抗生素。其效率受电流密度、溶液pH值、温度、支持电解质种类及浓度、以及污染物初始浓度等因素显著影响。通常，提高电流密度可加速降解，但过高的电流密度会导致析氧等副反应加剧，降低电流效率并增加能耗。溶液中的氯离子（Cl^-）可被电化学转化为活性氯物种（如HClO、ClO^-），参与氧化过程，但也可能生成有毒的氯代副产物或高氯酸盐（ClO₄^-），需谨慎控制。

电芬顿（EF）与光电芬顿（PEF）：将BDD-EO与芬顿反应结合，通过阴极还原氧气生成过氧化氢（H₂O₂），H₂O₂与添加的Fe²⁺发生芬顿反应产生·OH，实现了均相（溶液中）与异相（电极表面）氧化的协同作用，大幅提升了氧化效率。进一步地，引入紫外光（PEF）或太阳光（SPEF）照射，可利用光解作用再生Fe²⁺（如Fe(OH)²⁺的光解），并促进H₂O₂分解和铁-羧酸盐络物的光解，从而显著提高有机物的矿化程度，尤其在处理复杂基质如合成尿液或实际废水时优势更明显。

过硫酸盐活化电氧化：在电解体系中添加过一硫酸盐（PMS）或过二硫酸盐（PDS），可通过阴极还原或热/金属活化产生硫酸根自由基（SO₄^·-），该自由基具有与·OH相当的氧化能力且在较宽pH范围内稳定，与BDD阳极产生的·OH协同作用，可加速目标污染物的降解。

光电催化（PEC）与声电氧化（SE）：将BDD电极与光催化材料（如TiO₂、BiVO₄）结合构建光阳极，或在电解过程中辅以超声波，分别利用光生电子-空穴对的高效分离和超声波的空化效应（产生局部高温高压、增强传质、清洁电极表面），进一步提升降解效率。然而，这些耦合过程的协同效应并非总是正向，需根据目标污染物和体系条件进行优化。

影响因素与过程优化

操作参数：电流密度是核心参数，需优化至避免副反应且保证足够氧化剂产量的水平。pH值强烈影响·OH的氧化电位、铁物种的存在形态（尤其在EF/PEF中）以及污染物分子的电离状态，进而影响反应速率。通常酸性条件（pH ≈ 3）有利于EF过程。温度升高一般加速反应，但可能受传质限制。

水质基质：实际水体中存在的天然有机质（NOM）、无机阴离子（如Cl^-、HCO₃^-、NO₃^-）和阳离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）会与目标污染物竞争氧化剂，或与活性物种发生猝灭反应，从而抑制降解效率。例如，HCO₃^-是·OH的强淬灭剂，而Cl^-虽可生成活性氯，但可能形成有害副产物。腐殖酸等NOM会吸收紫外线，影响光助过程的效率。因此，处理实际废水时需考虑基质的综合影响。

电极与系统设计：BDD电极的衬底材料（如Si、Nb、Ti）、硼掺杂浓度、表面形态等均影响其电化学性能。阴极材料的选择（如碳毡、不锈钢、Pt）影响H₂O₂的生成效率。反应器构型（如流通式、板框式）、电极间距、传质条件等工程因素也至关重要。脉冲供电、三维电极结构、与膜分离（如纳滤）或其它预处理/后处理工艺耦合，被证明是提高能效和处理效果的有效策略。

副产物生成、毒性评估与技术挑战

尽管BDD-EAOPs能高效降解母体污染物，但降解过程中可能产生一系列中间产物，部分中间产物的毒性甚至可能高于原物。尤其需要关注的是在含氯基质中电解可能产生的氯代有机物、氯酸盐（ClO₃^-）和高氯酸盐（ClO₄^-），后者因其高稳定性、溶解性和潜在健康风险而备受关注。采用适当的操作条件（如较低电流密度、控制电解时间、利用UV光解）、优化电解质组成、或与后续处理单元（如阴极还原、电渗析）联用，有助于控制这些副产物的生成。对处理出水进行生物毒性测试（如使用发光细菌）是评估工艺环境安全性的必要环节。

当前BDD-EAOPs研究多集中于实验室规模，使用合成配水，与实际废水处理的复杂条件存在差距。BDD电极的高成本和高能耗是限制其大规模应用的主要瓶颈。未来的研究应侧重于：开发低成本、高性能的BDD电极材料；优化工艺参数与反应器设计以降低能耗；深入探究复杂真实水基质中的降解机理与副产物归趋；开展中试及实际规模研究，评估技术的经济可行性与长期运行稳定性；以及探索与可再生能源（如太阳能）的结合，实现过程绿色化。