利用铁电极（IMS）通过电凝聚处理对铁金属污泥进行多染料脱色

《Next Materials》：Multi-dye decolorization through electrocoagulation treatment utilizing iron electrode (IMS) from iron metal sludge

铁金属污泥电极（IMS）的制备及其在电凝聚法处理阴、阳离子染料中的性能研究。通过SEM-EDX、FTIR和N?吸附/脱附分析表明，PTFE粘合剂促进了铁颗粒均匀分布和孔隙结构优化，提升了电极红ox活性和电荷传输效率。在pH 6、电流密度4 mA/cm2条件下，IMS-30PTFE电极对三种染料的脱色效率达100%，但循环使用后效率下降（RB5降至55.7%，MB仅10%），主要因表面钝化。金属泄漏量（0.001-0.006 mg/L）远低于环保标准，验证了电极的稳定性和可持续性。

　　在工业废水处理领域，尤其是针对含有合成染料的废水，寻找高效、经济且环保的处理技术一直是科研人员关注的重点。近年来，电凝聚（Electrocoagulation, EC）作为一种新兴的废水处理方法，因其在去除污染物方面的高效性、操作简便性以及环境友好性，受到广泛关注。本文聚焦于一种由工业废料制成的铁金属污泥（Iron-Metal Sludge, IMS）电极在电凝聚过程中的应用，重点研究其在去除三种常见染料——亚甲基蓝（Methylene Blue, MB）、酸性蓝29（Acid Blue 29, AB29）和反应黑5（Reactive Black 5, RB5）方面的性能表现。该研究不仅评估了电极在不同初始pH值、电流密度和染料浓度下的处理效果，还对电极的结构特性、电化学性能以及重复使用能力进行了系统分析，为可持续的废水处理技术提供了新的思路。

合成染料广泛应用于纺织、造纸、皮革、塑料和化工等行业，其复杂的化学结构使其在自然环境中难以降解，对水体生态和人类健康构成潜在威胁。这些染料通常具有毒性、难以生物降解以及对环境的视觉污染等特性，因此，如何高效去除这些污染物成为环境保护的重要课题。传统的处理方法如生物处理、吸附法和高级氧化工艺（Advanced Oxidation Processes, AOPs）虽然在某些情况下有效，但也存在诸如处理成本高、操作复杂、二次污染风险以及对某些染料处理效果有限等问题。相比之下，电凝聚技术因其能够在不引入额外化学试剂的情况下，通过电化学反应产生金属离子和氢氧化物，从而实现对污染物的吸附、凝聚和沉淀，展现出独特的优势。

在本研究中，电极材料的选择是关键。研究人员采用了一种由工业废料——铁金属污泥（IMS）作为主要成分，结合聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene, PTFE）作为粘合剂，并加入碳黑以提高电极的导电性和稳定性。这种复合电极的制备过程涉及将IMS、PTFE和碳黑按照4:1:3的比例混合，使用1,3-丙二醇作为粘合剂，形成均匀的糊状物。随后，通过压制、干燥和机械压缩，最终制备出厚度约为24.5毫米的电极。通过这一过程，研究人员发现，随着PTFE含量的增加，电极表面的铁和氟元素分布更加均匀，这不仅提高了电极的红ox活性，也增强了其电化学性能。在电化学分析中，通过循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）等手段，研究人员发现，电极的红ox特性显著增强，而电荷转移电阻则显著降低，表明电极在电化学反应中具有较高的电子传导效率。这使得IMS-30PTFE电极在短时间内实现了高效的染料去除效果。

在实验条件优化方面，研究团队选择了初始pH值为6、电流密度为4 mA/cm2和初始染料浓度为50 ppm作为最佳操作参数。在这些条件下，IMS-30PTFE电极能够在60分钟内实现三种染料的完全脱色，显示出其卓越的处理能力。然而，在连续使用三轮之后，其对RB5的脱色效率下降至55.7%，对AB29下降至26%，而对MB的脱色效率甚至降至10%。这种性能的下降主要归因于电极表面的钝化现象。在多次使用后，电极表面可能形成一层不活泼的氧化层，阻碍了电化学反应的进行，从而影响了染料去除效率。尽管如此，电极的金属渗出量依然保持在极低水平，仅在0.006至0.001 mg/L之间，远低于环保法规所规定的限值，说明该电极在处理过程中具有良好的稳定性。

为了进一步验证电极的性能，研究人员还进行了详细的结构表征。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）和能量色散X射线光谱（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX）分析，研究人员观察到电极表面的微观结构得到了改善，孔隙率增加，表面活性位点分布更加均匀。这些变化有助于提高电极的反应效率和吸附能力。此外，氮气吸附-脱附等温线分析显示，电极具有典型的介孔结构，这为染料分子的扩散和吸附提供了有利条件。结合傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）分析，研究人员发现，PTFE的引入不仅改变了电极的表面化学组成，还促进了特定官能团的形成，进一步提升了电极的红ox活性和电化学性能。

电化学性能的深入分析表明，PTFE作为粘合剂在电极中发挥了重要作用。它不仅增强了电极的机械稳定性，还通过其化学惰性和高稳定性，为电极提供了良好的支撑结构。在CV测试中，IMS-30PTFE电极展现出更清晰的还原和氧化峰，表明其具有更高的电化学活性。而在EIS测试中，电极表现出较低的电荷转移电阻，意味着其在电化学反应中具有更高效的电子传输能力。这些特性共同作用，使得电极在电凝聚过程中能够快速响应并高效去除污染物。

除了性能评估，研究还关注了电极的可持续性和环境友好性。由于IMS电极来源于工业废料，其使用符合循环经济和资源回收的理念。与传统的金属电极相比，该电极不仅减少了对新原料的需求，还降低了废物处理的负担，从而实现了资源的高效利用。同时，其低金属渗出量和良好的重复使用性能也表明，该电极在实际应用中具有较高的环境安全性。这些结果不仅为电凝聚技术的应用提供了新的材料选择，也为工业废料的资源化利用提供了科学依据。

此外，研究人员还探讨了不同染料在电凝聚过程中的行为差异。MB作为一种阳离子染料，其去除效率相对较低，这可能与其较高的吸附能力有关。在电极表面，MB分子可能通过较强的电荷相互作用和疏水效应，形成稳定的吸附层，从而影响了后续的电化学反应。相比之下，RB5和AB29作为阴离子染料，更容易与电极表面的金属离子发生反应，因此其去除效率相对较高。这一发现为电极在不同染料处理中的适用性提供了重要参考，也为进一步优化电极材料提供了方向。

总体而言，本研究通过系统分析和实验验证，证明了IMS-30PTFE电极在处理染料废水方面的优越性。其高效的脱色能力、良好的电化学性能以及出色的环境友好性，使其成为一种具有广泛应用前景的电凝聚电极材料。随着环保意识的增强和工业废水处理需求的增加，这类基于废料的电极材料有望在未来得到更广泛的应用。同时，研究还指出，为了进一步提升电极的性能和可持续性，未来的研究可以关注更环保的粘合剂材料，如可降解的生物基聚合物，以减少对环境的潜在影响。此外，探索不同操作参数对电极性能的影响，以及优化电极结构以提高其重复使用能力，也是值得深入研究的方向。