**煅烧碳布电极在电氧化-Fenton体系中对龙舌兰酒废液化学需氧量去除能量成本的影响**

《Frontiers in Environmental Science》：Effect of calcination of carbon cloth used as electrodes on the energetic cost of chemical oxygen demand removal from tequila vinasse wastewater under electro-oxidation-Fenton conditions

　　

在本研究中，研究人员提出了一种以煅烧碳布（carbon cloth）为电极的电氧化-Fenton（electro-oxidation-Fenton）电解池，用于龙舌兰酒废液（tequila vinasse wastewater）的三级处理。研究人员还比较了碳布在不同煅烧温度（未煅烧、300 °C和600 °C）下对废水中化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）去除效率和能量成本的影响。经600 °C煅烧的碳布表现出最佳性能，处理1小时后COD去除率达50% ± 3%，能量成本为每毫克去除COD 0.8 ± 0.3 mWh，其中26% ± 4%的去除贡献归因于电氧化-Fenton效应，其余归因于处理过程中固有的沉淀效应。

**煅烧碳布用于电氧化-Fenton处理龙舌兰酒废液COD去除的研究解读**

**一、研究背景与问题**

龙舌兰酒（tequila）是一种源自墨西哥中部地区的法定产区烈酒，2025年产量达到5.83亿升。每生产1升龙舌兰酒，会产生10–15升废液（vinasse wastewater），该废液因pH低（3.0–4.5）、总悬浮固体含量高（2,000–8,000 mg L^?1）和溶解固体含量高（23,000–42,000 mg L^?1）而被视为严重污染物，且会向受纳水体引入大量可腐败有机化合物。约75%的龙舌兰酒废液接受常规处理，即包含厌氧和好氧生物消化的一级和二级处理，另有个别研究提出以人工湿地（constructed wetlands）作为低成本二级处理方案。然而，经二级处理后出水的化学需氧量（chemical oxygen demand, COD）仍高达300–1,000 mg L^?1，主要由持久性有机化合物（persistent organic compounds, POCs）构成，无法通过生物过程进一步降解。龙舌兰酒生产企业目前采用的三级处理仅是通过物理化学过程将POCs从废水中分离，使COD降至150 mg L^?1以下以满足墨西哥排放法规，但并未真正降解这些污染物。

为突破这一瓶颈，学界已提出多种策略，包括对酚类化合物进行后处理增值，以及利用高级氧化过程（advanced oxidation processes, AOPs）氧化POCs，如催化臭氧化（catalytic ozonation）耦合混凝絮凝、异相光催化（heterogeneous photocatalysis）耦合混凝絮凝以及电氧化（electro-oxidation）耦合吸附。此前，该研究团队评估了煅烧碳布增强H₂O₂电生成的效应以实施Fenton过程，展示了其在龙舌兰酒废液三级处理中的可规模化潜力。Fenton反应的核心在于H₂O₂与Fe²⁺反应生成具有强氧化性的羟基自由基（•OH），从而降解有机物；而在碳质阴极上通过氧气还原电生成H₂O₂的反应已在多种实际废水中得到广泛研究。

**二、研究内容与意义**

研究人员构建了一种双效电化学电解池，以煅烧碳布同时作为阳极和阴极。在阳极，废液中的有机化合物被假定发生直接氧化；在阴极，O₂被还原电生成H₂O₂，并与预先溶解于废液中的Fe²⁺发生Fenton反应生成•OH，进而氧化有机化合物。研究人员系统比较了碳布在不同煅烧温度（未煅烧、300 °C、600 °C）下对COD去除效率及能量成本的影响。该研究的意义在于，碳布煅烧是一种技术简单、成本相对低廉的电极改性手段，便于放大电极尺寸，有望为龙舌兰酒行业产生的大量废水开发出可工业化的电氧化-Fenton处理工艺。

**三、关键技术与方法概要**

研究所用废液因实验阶段原液供应有限，经稀释、混凝和电混凝系列处理后获得，COD为8,500 mg L^?1，pH 6.0，电导率7,500 μS cm^?1，于2 °C储存。碳布裁剪为5 cm × 5 cm方块，在马弗炉中分别于300 °C和600 °C煅烧。电化学表征采用计时电流法（chronoamperometry），在?0.6 V（vs. Ag|AgCl）恒电位下监测Ar和干燥空气鼓泡时的还原电流变化，同时以循环伏安法（cyclic voltammetry）在?1.0至1.0 V电位窗口扫描。电氧化-Fenton实验中，六片碳布交替作为阴阳极平行浸入100 mL废液，间距0.6 cm，几何面积125 cm²，初始电流密度1.0 mA cm^?2，以4.0 ± 0.5 L min^?1速率鼓入干燥空气，处理1小时。Fe³⁺沉淀实验中，将与Fenton反应预期生成的等量Fe³⁺（715 mg）以Fe₂(SO₄)₃形式直接溶解于废液并沉淀30分钟以评估混凝对COD去除的贡献。能量成本按公式EC_COD = E_cell × i × t / (V_s × ΔCOD)计算。

**四、主要研究结果**

**4.1 计时电流与循环伏安行为**：计时电流法结果显示，干燥空气鼓泡时碳布的O₂还原电流随煅烧温度升高而明显增大，表明H₂O₂电生成能力增强。累计使用约35小时的600 °C煅烧碳布，其稳态还原电流降至低于300 °C煅烧碳布的水平，但仍高于未煅烧碳布，提示使用时长会导致性能衰减。循环伏安结果与之吻合：在顶点电位1.0 V处，未煅烧、300 °C和600 °C煅烧碳布的氧化电流分别为2.8、5.3和8.4 mA cm^?2；在?1.0 V处，还原电流分别为?2.7、?5.2和?8.1 mA cm^?2。研究人员推断煅烧通过在碳布结构中引入碳氧化表面基团（如羧基）增强了电化学活性，促进了阴极氧还原产H₂O₂以及阳极有机物氧化。

**4.2 Fe³⁺沉淀对COD去除的贡献**：Fe³⁺沉淀实验获得25% ± 3%的COD去除率。该沉淀贡献已从总去除值中扣除，后续数据仅反映电氧化-Fenton效应部分。

**4.3 碳布煅烧对COD去除的影响**：扣除沉淀贡献后，COD去除率随煅烧温度升高呈显著递增趋势。未煅烧碳布反而使废液COD增加，推测为碳材料向废液中分散所致，与活性炭处理龙舌兰酒废液的文献报道一致。1小时处理后，单因素方差分析（one-way ANOVA）及Tukey事后检验给出的最大p值为0.022，确认了煅烧温度与COD去除增加之间的统计显著性。600 °C煅烧碳布实现总COD去除率51% ± 3%，电氧化-Fenton贡献为26% ± 4%，与文献中其他AOPs的效果相近：催化臭氧化26.7%、异相光催化44% ± 2%、电氧化5% ± 4%，且本方法无需初始pH调节。

**4.4 煅烧对COD去除能量成本的影响**：能量成本随煅烧温度升高而显著下降。300 °C和600 °C煅烧条件下的能量成本分别为12 ± 3.5 mWh和0.8 ± 0.3 mWh每毫克去除COD，600 °C条件下的数值低于Castillo-Monroy等人报道的电氧化工艺（1.5 ± 0.4 mWh mgCOD^?1）。

**4.5 非Fenton条件实验**：在排除Fe²⁺添加和/或鼓泡等Fenton必要条件后，使用600 °C煅烧碳布的总COD去除率降至8.9% ± 1.6%以下，能量成本升至3.5 ± 1 mWh每毫克去除COD以上，接近单纯电氧化文献结果，提示此时COD去除主要通过阳极直接氧化实现，侧面印证了Fenton条件下•OH生成对COD去除的实质性贡献。

**五、讨论总结与研究结论**

综合来看，电氧化-Fenton电解池可作为氧化龙舌兰酒废液中有机化合物的可行替代方案。碳布煅烧能够增强COD去除效果并显著降低能量成本，这种碳材料煅烧方法技术简单、成本相对低廉，且便于放大电极尺寸，展现了开发可规模化电氧化-Fenton工艺以处理龙舌兰酒行业大量废水的潜力。尽管本研究使用的废液经过了龙舌兰酒行业实际未采用的预处理流程，但研究结果依然有效，所提出的电解池适用于性质更为接近实际的废水。研究团队近期已获得COD约500 mg L^?1且可生物降解组分低于10%的龙舌兰酒废液，将在未来工作中更加恰当地回应本研究的局限性。研究结论如下：电氧化-Fenton电解池是氧化龙舌兰酒废液中有机化合物的一种替代方案；碳布煅烧在用作该电解池电极时可增强COD去除并降低能量成本；碳材料煅烧是技术简单、成本相对低廉的工艺，可放大电极尺寸，展现了开发电氧化-Fenton工艺处理龙舌兰酒行业大量废水的潜力。

**六、研究局限性**

由于龙舌兰酒废液成分复杂，无法采用香豆素荧光法定量•OH生成，故以"负实验"间接证明COD去除中存在电氧化-Fenton贡献。所用废液中POCs比例可能低于50%，且未测定处理后废水可生化性的提升。此外，添加FeSO₄的成本需纳入考量，沉淀产生的Fe(OH)₃残渣须妥善处置，研究人员正在探索其在二级处理阶段作为生物质增重组分的再利用可能性。