碳材料為基礎(chǔ)的電化學(xué)法去除水中重金屬研究進(jìn)展

曹瑜寒，王榮忠，張?jiān)氯A，彭國(guó)文，曾慶意

碳材料為基礎(chǔ)的電化學(xué)法去除水中重金屬研究進(jìn)展

曹瑜寒，王榮忠，張?jiān)氯A，彭國(guó)文，曾慶意

（南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

電化學(xué)處理技術(shù)已廣泛用于水體重金屬的去除研究。其中，具有導(dǎo)電性強(qiáng)、比表面積大、結(jié)構(gòu)可控等性能的碳基電極在電化學(xué)處理和回收重金屬方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。主要介紹了碳納米管、石墨烯、活性炭等碳基電極通過電吸附、電氧化還原以及電沉積等電化學(xué)方法去除與回收水中重金屬的研究進(jìn)展，并展望了碳材料為基礎(chǔ)的電化學(xué)處理重金屬的發(fā)展趨勢(shì)。

水處理； 碳材料； 電化學(xué)處理； 重金屬； 環(huán)境保護(hù)

隨著冶金、電鍍、化學(xué)、電池等工業(yè)的快速發(fā)展，水體重金屬污染日趨嚴(yán)重。2005年，我國(guó)重金屬污染物含量超標(biāo)的水體已超過80%，黃河流域、淮河流域、太湖流域、長(zhǎng)江流域等河流湖泊都出現(xiàn)了不同程度的重金屬污染。重金屬污染不但危害環(huán)境，而且還會(huì)對(duì)人類身心健康造成極大的威脅[1?2]。常規(guī)的水處理方法如吸附法、沉淀、混凝/絮凝、離子交換和膜分離等處理技術(shù)雖表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但仍面臨著成本高、二次污染、處理效率低等問題[3]。

電化學(xué)處理技術(shù)，是指在特定的反應(yīng)器中通過在工作電極上施加電流或電位，使電子及污染物定向移動(dòng)，最終發(fā)生特定的物理及化學(xué)反應(yīng)，以此實(shí)現(xiàn)污染物去除與回收的處理技術(shù)。與傳統(tǒng)處理技術(shù)相比，電化學(xué)處理技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，具有通用性、環(huán)境兼容性、綠色環(huán)保、去除效率高、反應(yīng)條件溫和、穩(wěn)定可控、操作簡(jiǎn)單、工藝靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，電化學(xué)處理技術(shù)廣泛應(yīng)用于解決水污染問題——去除水體中重金屬離子的研究。

電極是電化學(xué)處理體系的關(guān)鍵部件，直接決定電化學(xué)處理體系的性能。碳材料具有原料來源廣泛、導(dǎo)電性高、環(huán)保性好、化學(xué)穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)多樣、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的電極材料之一，在電化學(xué)處理重金屬方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。常用的碳基電極材料包括碳納米管（CNTs）[5]、石墨烯[6]、碳?xì)饽z[7]、活性炭（AC）[8]等，這些碳材料由于結(jié)構(gòu)的不同，均表現(xiàn)出各自特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。例如，CNTs為高長(zhǎng)徑比的導(dǎo)電一維材料，具有優(yōu)異的電荷傳輸與定向傳輸特性；石墨烯為超薄二維結(jié)構(gòu)，不僅可提供巨大的比表面積，且導(dǎo)電性能優(yōu)異；碳?xì)饽z為石墨烯組成的三維多孔結(jié)構(gòu)，除具有石墨烯的特性外，還具有宏觀機(jī)械性能；AC表面和內(nèi)部孔道豐富，比表面積大，吸附能力強(qiáng)，機(jī)械性能好，可提供大量高活性位點(diǎn)等。這些特性使得它們表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)特性。因此，本文主要綜述了各種碳基電極通過電吸附、電氧化還原以及電沉積等電化學(xué)方法去除與回收水中重金屬的研究進(jìn)展。

1 電化學(xué)處理方法

1.1 電化學(xué)還原法

電化學(xué)還原法處理重金屬?gòu)U水一般屬于陰極還原，采用惰性電極對(duì)廢水進(jìn)行電解，重金屬離子在電場(chǎng)力作用下向陰極遷移，從而在陰極表面發(fā)生沉積，其去除機(jī)理如圖1所示。

圖1　電化學(xué)還原法機(jī)理示意圖

CNTs、石墨、氧化石墨烯、AC等碳基電極能有效地還原去除水體中的重金屬。D.X.Yuan等[9]利用單壁碳納米管/不銹鋼網(wǎng)電極（SWCNTs@SSNE電極）電化學(xué)還原水體中的Cr(VI)。結(jié)果表明，當(dāng)pH=4.0、外加電壓為2.5 V、電解質(zhì)質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，Cr(VI)的還原效率高達(dá)92.3%。G.Velasco等[10]利用石墨電極還原水體中的Cr(VI)。結(jié)果表明，當(dāng)Cr(VI)濃度為2×10-3mol/L、平均流速為80 cm/s時(shí)，49%的Cr(VI)被還原為Cr(III)。Y.M.Zhang等[11]采用原位聚合法合成一種聚吡咯/氧化石墨烯氣凝膠（PGAs）電極，用于同時(shí)還原Cr(VI)和氧化雙酚A。結(jié)果表明，當(dāng)pH=3.0、外加電壓為25.0 V、反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，Cr(VI)的還原率為（98.52±1.48）%。P.Mohanraj等[12]利用印度枳果殼制備了一種高比表面積的AC電極（617.72 m2/g），電化學(xué)還原水體中的Cr(VI)。結(jié)果表明，當(dāng)pH=2.0、Cr(VI)的質(zhì)量濃度為0～10 mg/L、外加電壓為15.0 V時(shí)，AC電極能還原100%的Cr(VI)?？梢姡蓟姌O在電化學(xué)還原Cr(VI)方面表現(xiàn)出巨大潛力，其中具有高比表面積的AC電極具有很高的還原效果，對(duì)Cr(VI)去除效率高。因此，未來研究可設(shè)計(jì)具有更高比表面積、價(jià)格低廉的碳電極，用于電化學(xué)還原Cr(VI)。

1.2 電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法是一種將廢水中的低價(jià)金屬氧化為高價(jià)低毒金屬離子的技術(shù)，其去除機(jī)理如圖2所示。還原石墨烯等碳基電極能有效電化學(xué)氧化As(III)等低價(jià)有毒重金屬。

圖2　電化學(xué)氧化法機(jī)理示意圖

電化學(xué)氧化法對(duì)陽(yáng)極材料要求較高，要求陽(yáng)極材料具有高析氧過電位和高穩(wěn)定性，常以碳材料為基底以提高電極材料的電化學(xué)性能。X.H.Li等[13]制備了一種不銹鋼網(wǎng)/還原石墨烯電極，用于電化學(xué)氧化As(III)。結(jié)果表明，當(dāng)外加電壓為3.5 V、反應(yīng)時(shí)間為60 min、pH=3.0時(shí)，不銹鋼網(wǎng)/還原石墨烯電極將As(III)全部氧化為As(V)。J.F.Rivera等[14]制備了氧化銥?聚合物薄膜改性的三維網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳（RVC）電極，用于電化學(xué)氧化As(III)。結(jié)果表明，在=0.7 V、pH=6.5的條件下，3 mmol/LAs(III)完全氧化成As(V)，其電位很低，電流效率高。電化學(xué)氧化法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的關(guān)鍵在于對(duì)電極材料的開發(fā)和改進(jìn)，碳基電極廉價(jià)、使用壽命長(zhǎng)，因此對(duì)碳基電極修飾、改性是未來電化學(xué)氧化法的主要發(fā)展方向。

1.3 電吸附法

對(duì)于一些不易還原或沉積的金屬離子，電吸附法是非常有效的去除方法。電吸附技術(shù)也稱電容去離子技術(shù)（CDI），是電化學(xué)過程和吸附/解吸過程的結(jié)合。在電吸附過程中，水溶液中的離子污染物在所施加的電場(chǎng)下向充滿相反電荷的電極移動(dòng)，正電荷向陰極遷移，負(fù)電荷向陽(yáng)極遷移，離子通過在多孔電極內(nèi)形成電雙層而暫時(shí)存儲(chǔ)[15]。因此，被吸附的重金屬離子可以通過施加反向電壓釋放到電解質(zhì)中，使電極得到再生，其去除機(jī)理如圖3所示。CDI具有環(huán)境友好、低污染、低能耗以及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于水體重金屬的去除研究。AC、活性炭纖維（ACF）、CNTs、石墨烯等具有較大比表面積、強(qiáng)導(dǎo)電性、強(qiáng)吸附性的碳基材料，可以作為電極材料有效吸附水體中的重金屬。

圖3　電吸附法機(jī)理示意圖

1.3.1活性炭基電極 AC作為一種碳材料，具有比表面積大、吸附性強(qiáng)、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定以及原料來源廣泛等特點(diǎn)，已被廣泛用于電吸附水體中的重金屬。S.X.Song等[16]利用AC電極電吸附水體中的As(III)。當(dāng)As(III)濃度為1 mmol/L、外加電壓為1.0 Ｖ、反應(yīng)時(shí)間為45 min時(shí)，AC電極對(duì)As(III)的吸附量為4.73 mg/g。此外，調(diào)節(jié)溶液pH，部分As(III)可氧化成As(V)后富集在AC電極表面。C.H.Hou等[17]利用AC電極選擇性電吸附Cu(II)。當(dāng)外加電壓為0.8 V時(shí)，AC電極對(duì)Cu(II)的吸附容量為24.57 mg/g。C.S.Fan等[18]研究了AC電極對(duì)As(III)和As(V)的去除性能，當(dāng)外加電壓為1.2 V時(shí)，AC電極對(duì)As(III)和As(V)的吸附量分別為1.37×10-2、2.47×10-2mg/g。可見，由于具有較高的比表面積，AC電極在電吸附去除重金屬方面性能優(yōu)異。另外，通過對(duì)AC電極進(jìn)行負(fù)載或改性可有效提高其電化學(xué)性能。S.X.Song等[19]利用鐵?石墨烯對(duì)AC電極進(jìn)行了改性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鐵?石墨烯/AC電極對(duì)As(V)的吸附性能明顯提升，這是由于鐵?石墨烯進(jìn)一步提高了電極的導(dǎo)電性和比表面積，進(jìn)而提高了吸附速率和容量。

ACF具有易于規(guī)模化、大面積制備等特點(diǎn)，因此以ACF為基礎(chǔ)的改性研究受到研究者的廣泛關(guān)注。李秀玲等[20]利用載鈦改性ACF電極（TiO2/ACF）電吸附水體中的Cr(VI)，當(dāng)pH＝2.0、Cr(VI)質(zhì)量濃度為10 mg/L、外加電壓為 0.6Ｖ、極板間距為9 mm、極板面積為100 cm2時(shí)，TiO2/ACF對(duì)Cr(VI)的吸附率接近100%。Y.P.Chen等[21]利用氧化錳改性ACF電極（MnO/ACF）電吸附水體中的Cd(II)。電吸附實(shí)驗(yàn)表明，MnO/ACF對(duì)Cd(II)吸附性能遠(yuǎn)高于ACF電極，且其吸附性能是ACF電極的6.0倍。當(dāng)Cd(II)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 μg/g、外加電壓為1.5 Ｖ時(shí)，其吸附容量為14.88 mg/g。F.Y.Liu等[22]通過電鍍法制備了一種高比電容的二氧化錳改性碳纖維電極（MnO2/CF），當(dāng)電流密度為0.1 A/g時(shí)，其比電容達(dá)387 F/g；當(dāng)pH＝5.0、外加電壓為1.0 Ｖ、反應(yīng)時(shí)間為720 min時(shí)，MnO2/CF電極能吸附90.0%以上的Cu(II)。C.C.Huang等[23]研究了不同改性條件下的ACF對(duì)Cu(II)的電吸附性能，經(jīng)殼聚糖浸漬后的ACF電極對(duì)Cu(II)的電吸附性能明顯優(yōu)于經(jīng)硝酸浸漬的ACF，其最大吸附容量為0.85 mmol/g，是ACF的2.2倍。L.F.Liu等[24]通過水熱法將WO3和PPy涂覆在ACF上，制備了WO3/PPy/ACF電極，用于去除水體中Cu(II)。當(dāng)水流量為10 mL/min、pH=3.0、Cu2+質(zhì)量濃度為100 mg/L、反應(yīng)時(shí)間為5 h、外加電壓為10.0 V時(shí)，WO3/PPy/ACF電極對(duì)Cu(II)的去除率可達(dá)97.8%。這些研究表明，利用金屬氧化物表面豐富的氧位點(diǎn)，在電吸附過程中可提供更多的重金屬結(jié)合位點(diǎn)，形成金屬?氧配位，有效提高碳基電極的電吸附性能。

1.3.2CNTs電極 CNTs是一種具有兩個(gè)表面的一維量子材料，具有良好的導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性以及較大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為電極材料的研究熱點(diǎn)。G.H.Qiu等[25]通過微波輔助水熱法制備了不同比例的水鈉錳礦/CNTs（HB/CNTs）電極，用于去除水溶液中的Zn2+和Ni2+。結(jié)果表明，當(dāng)錳氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45.6%時(shí)，HB/CNTs電極的電吸附性能最好，對(duì)Zn2+和Ni2+的吸附容量分別為155.6、158.4 mg/g。該電吸附不僅利用了CNTs的高導(dǎo)電性，也利用了金屬氧化物的強(qiáng)配位能力，提高了電吸附效果。L.K.Pan等[26]利用CNTs和殼聚糖制備了CNTs?殼聚糖（CNTs?CS）復(fù)合電極，用于去除水體中的Cu2+。結(jié)果表明，CNTs?CS可有效去除85%的Cu2+，這主要?dú)w功于殼聚糖豐富的含氧官能團(tuán)提高了重金屬吸附位點(diǎn),從而促進(jìn)了對(duì)重金屬的有效去除。然而，CNTs電極制作成本高，難以大規(guī)模生產(chǎn)，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。

1.3.3石墨烯基電極 二維結(jié)構(gòu)的石墨烯相比于碳納米管結(jié)構(gòu)，不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能和非常高的比表面積，而且易于官能團(tuán)修飾和與其他材料結(jié)合，是非常理想的碳基電極材料，可有效去除水體中的重金屬。L.D.Zou等[27]利用改良的Hummers法制備了一種具有高比表面積和電導(dǎo)率的石墨烯納米薄片（GNFs）電極，用于吸附水體中的Fe3+。結(jié)果表明，當(dāng)外加電壓為2.0 V時(shí)，GNFs電極對(duì)Fe3+的最大吸附容量為0.88 mg/g。王一明等[28]采用氧化石墨烯（GO）與MoS2復(fù)合制備了新型的GO/MoS2電極，用于電吸附水體中的Pb2+，當(dāng)pH=5.0、Pb(NO3)2的質(zhì)量濃度為2.0 g/L、外加電壓為1.2 V、反應(yīng)時(shí)間為120 min時(shí)，GO/MoS2電極在60 min時(shí)達(dá)到吸附平衡，吸附容量為4 614.9 mg/g。R.C.Dipasupil等[29]利用微波輔助法合成了一種還原型氧化石墨烯?二氧化鈦納米管電極，用于同時(shí)去除Pb2+和Cu2+，結(jié)果表明該電極對(duì)二者的吸附容量分別高達(dá)241.65、253.30 mg/g。這一結(jié)果也進(jìn)一步表明，通過復(fù)合金屬氧化物，電極的吸附性能顯著提高。然而，石墨烯由于是二維結(jié)構(gòu)，在無(wú)支撐材料的情況下較難做成電極，即使堆疊也容易失去其高比表面積的優(yōu)勢(shì)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要開發(fā)新的制備工藝，以克服石墨烯的堆疊，獲得具有高比表面積的電極材料。

1.3.4碳?xì)饽z基電極 碳?xì)饽z（Carbon Aerogel）是一種以石墨烯為基礎(chǔ)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、多孔、連續(xù)的三維結(jié)構(gòu)，這不僅保留了石墨烯的高比表面積和二維結(jié)構(gòu)，而且具有三維大尺度特征，在電極材料方面有很大的前景[30]。M.Nagarajan等[31]利用碳?xì)饽z電吸附水體中的Cr(VI)、當(dāng)pH=2.0，Cr(VI)質(zhì)量濃度為2 mg/L時(shí)，碳?xì)饽z能有效吸附99.6%的Cr(VI)。Z.L.Cao等[32]通過有機(jī)氣凝膠碳化制備碳?xì)饽z電極，用于電吸附Cu2+。結(jié)果表明，當(dāng)外加電壓為1.2 V時(shí)，碳?xì)饽z電極對(duì)Cu2+的吸附容量為25.78 mg/g，去除率為85.4%?？梢?，碳?xì)饽z電極去除效果雖相比于純石墨烯電極有所提高，但效果有限。主要原因是碳?xì)饽z的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是通過冷凍干燥形成的，有較大部分內(nèi)部孔隙無(wú)法被利用，且純石墨烯表面吸附位點(diǎn)有限，性能難以提高。因此，未來可通過納米金屬氧化物對(duì)石墨烯進(jìn)行修飾后再構(gòu)建碳?xì)饽z，以期獲得更加高效的吸附效果。

1.3.5其他碳基電極 除上述碳基電極外，其他電極如炭黑等碳基電極也能有效吸附水體中的重金屬。C.C.Huang等[33]以介孔二氧化硅為模板、蔗糖為碳源制備了一種有序中孔碳電極，用于電吸附Cu2+。電吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)pH=4.0、外加電壓為0.9 V時(shí)，有序中孔碳電極對(duì)Cu2+的電吸附容量為56.62 mg/g。該有序中孔碳電極主要利用了多孔結(jié)構(gòu)提供的高比表面積，實(shí)現(xiàn)了重金屬的高效吸附。

總之，電吸附法作為一種高效無(wú)污染的電化學(xué)技術(shù)，可以去除多種重金屬離子，是目前應(yīng)用最廣泛的電化學(xué)技術(shù)。碳基電極材料由于本身的高導(dǎo)電性，在電化學(xué)技術(shù)方面具有較大的應(yīng)用潛力。然而，單一碳材料的吸附效果不佳，這主要是受電極表面吸附位點(diǎn)，即配位點(diǎn)數(shù)量的限制。利用金屬氧化物或其他含氧官能團(tuán)的材料對(duì)碳基電極進(jìn)行修飾，制備復(fù)合碳基電極材料，可有效提高電吸附效果，在未來研究中可重點(diǎn)關(guān)注。

1.4 電解法

電解法利用陰陽(yáng)兩電極板在外加電場(chǎng)下分別發(fā)生還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)，使廢水中的重金屬離子在陰極板被還原成金屬單質(zhì)而析出，以達(dá)到從廢水中去除重金屬離子的目的，其去除機(jī)理如圖4所示。

圖4　電解法機(jī)理示意圖

1.5 電沉積法

電沉積法是一種通過外加電源，使廢水中的重金屬離子在陰極被還原成單質(zhì)形態(tài)，并沉積在陰極表面，實(shí)現(xiàn)重金屬去除的方法，其基本機(jī)理如圖5所示。

圖5　電沉積法機(jī)理示意圖

電沉積法可以通過控制金屬間的電位差選擇性地分離各種金屬離子，回收高質(zhì)量的金屬沉積物，且具有占地面積小、不添加其他化學(xué)試劑、流程簡(jiǎn)單、成本低和金屬沉積率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前常用的一種重金屬回收技術(shù)。碳基材料具有高穩(wěn)定性、高導(dǎo)電性等優(yōu)勢(shì)，是電沉積重金屬的理想材料。M.Etesami等[37]以多孔石墨片和三維網(wǎng)狀玻璃態(tài)碳（RVC）為陰極，用于電沉積去除Pb(II)。結(jié)果表明，當(dāng)Pb(II)質(zhì)量濃度為500 mg/L、反應(yīng)時(shí)間為210 min時(shí)，對(duì)Pb(II)的去除率均可達(dá)到（99.0±0.7）%。這一復(fù)合電極利用了石墨片的高比表面積和RVC良好的導(dǎo)電性能，從而獲得了高效的電沉積重金屬性能。X.H.Li等[38]采用新型還原氧化石墨烯電沉積法成功制備了RGO@SSN電極，經(jīng)RGO@SSN電化學(xué)處理200 min后，Pb(II)溶液（1 000 mg/L）的Pb(II)去除率達(dá)到97.2%。D. Jana等[39]以碳納米管膜作為工作電極，采用電沉積方法從工業(yè)廢水中回收Cu。結(jié)果表明，該方法不僅能有效回收實(shí)際廢水中的Cu，且能耗低。L.G. Zhang等[40]以碳刷為陽(yáng)極、石墨棒為陰極，通過生物電化學(xué)輔助電沉積系統(tǒng)（BES?EDP）選擇性去除和回收了Pb和Zn。結(jié)果表明，當(dāng)陰極電位為-0.75 V時(shí)，電沉積10 h后，Pb的回收率可達(dá)到（98.5±1.4）%。Pb回收后，將陰極電位提高到-1.20 V，6 h內(nèi)Zn的回收率可達(dá)（98.7±0.7）%?？梢?，碳基電極在電沉積去除重金屬方面效果優(yōu)異，且各類碳基電極均可用于電沉積重金屬。由于電沉積法不僅將重金屬沉積于電極表面，而且還需要將其再溶解后才能實(shí)現(xiàn)回收，因此碳基電極材料的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性是其規(guī)模化應(yīng)用所要考慮的重點(diǎn)。

2 電化學(xué)處理方法的比較

總之，目前的研究結(jié)果表明，碳基電極材料在通過電化學(xué)還原法、電化學(xué)氧化法、電吸附法、電沉積法和電解法等方法去除或回收水體中的重金屬方面，均表現(xiàn)出較好的性能和應(yīng)用潛力。表1列出了各種電化學(xué)處理技術(shù)在去除重金屬過程中的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍等。由表1可見，這些方法各具特色，有不同的適用范圍，且目前研究采用的碳基材料也各具特色。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)針對(duì)重金屬?gòu)U水特點(diǎn)和去除目的，綜合考慮并選擇電化學(xué)處理方法及電極材料。

3 總結(jié)與展望

本文梳理了近年來碳基電極在電吸附、電氧化還原以及電沉積等電化學(xué)領(lǐng)域?qū)χ亟饘偃コc回收的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了其工作原理、碳材料的種類以及去除效果，其中基于碳基電極材料的電吸附法使用范圍最廣。電化學(xué)處理技術(shù)具有導(dǎo)電性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可控、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)，在水體重金屬去除方面有廣闊的應(yīng)用前景，可根據(jù)含重金屬離子水質(zhì)特點(diǎn)選擇不同的電化學(xué)處理工藝。然而，電流效率低、處理能耗高等問題限制了電化學(xué)方法的實(shí)際應(yīng)用，仍需進(jìn)一步探索以實(shí)現(xiàn)其推廣應(yīng)用。

未來以碳材料為基礎(chǔ)的電化學(xué)處理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：

（1）單一碳材料處理效果不佳，通過修飾金屬氧化物等含氧官能團(tuán)物質(zhì)對(duì)碳材料進(jìn)行改性，提高電極材料的比表面積、結(jié)合位點(diǎn)等是提高其電化學(xué)性能的重要途徑。

（2）通過官能團(tuán)修飾或摻雜，在碳材料上引入含O、N、S等官能團(tuán)，為重金屬離子提供配位點(diǎn)，將是提高碳材料電化學(xué)去除重金屬性能的重要途徑。

（3）通過修飾金屬有機(jī)框架（MOF）材料，利用MOF有機(jī)配體豐富、納米結(jié)構(gòu)多樣的特性，為重金屬離子提供豐富的結(jié)合位點(diǎn)，在提高碳基材料選擇性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，將是未來研究的熱點(diǎn)之一。此外，若對(duì)修飾的MOF進(jìn)行碳化，不僅可以保留MOF的特殊納米結(jié)構(gòu)，又能使其更加穩(wěn)定，在電催化去除重金屬方面，也將具有巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

（4）目前研究的碳材料制備工藝較為復(fù)雜，成本高，難以規(guī)?；瘧?yīng)用，且選擇性較差，因此開發(fā)高效、高選擇性且價(jià)格低廉的碳材料是未來的研究重點(diǎn)。

（5）電還原法、電解法和電沉積法都能對(duì)廢水中的重金屬進(jìn)行回收，應(yīng)控制電流密度、電解時(shí)間等電化學(xué)參數(shù)來提高回收率和能耗比。

表1　電化學(xué)處理方法的比較

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Removal of Heavy Metals in Water by Electrochemical Treatment Technologies Based on Carbon Materials

Cao Yuhan， Wang Rongzhong， Zhang Yuehua， Peng Guowen， Zeng Qingyi

（School of Resource Environment and Safety Engineering，University of South China，Hengyang Hunan 421001，China）

Electrochemical treatment technologies have been widely used to remove heavy metals in water.Specifically,carbon?based electrodes show positive application prospects in electrochemical treatment and recovery of heavy metals due to their strong electrical conductivity,large specific surface area,and controllable structure.This paper reviewed the research progress in the removal and recovery of heavy metals in electrochemical fields,such as electro?adsorption,electro?reduction,electro?oxidation,and electro?deposition by carbon?based electrodes including carbon nanotubes,graphene,and activated carbon.In addition,the development trends of removing heavy metals by electrochemical treatment technologies based on carbon materials were predicted.

Water treatment； Carbon materials； Electrochemical treatment； Heavy metal； Environmental protection

1006?396X（2022）04?0052?08

2022?06?26

2022?08?12

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52170083）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（51808143）；湖南省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目（2021JJ20007）。

曹瑜寒（1997?），碩士研究生，從事功能化碳材料及其去除水中重金屬方面的研究；E?mail：yuhancao@stu.usc.edu.cn。

曾慶意（1988?），男，博士，教授，從事水污染控制技術(shù)方面的研究；E?mail：qingyizeng@usc.edu.cn。

TQ110.9

A

10.3969/j.issn.1006?396X.2022.04.008

（編輯 閆玉玲）