中國粉體網(wǎng)訊  隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，各行業(yè)的污水排放量日益增加，污染物成分也越來越復(fù)雜，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了巨大的破壞。如何處理這些污水，成了全人類共同面對(duì)的巨大挑戰(zhàn)。

電化學(xué)高級(jí)氧化工藝作為一種新型污水處理工藝，由于其具有所需設(shè)備簡單、操作容易、控制方便、適用范圍廣、無需添加化學(xué)試劑等優(yōu)點(diǎn)被視為一種極具應(yīng)用潛力的污水處理工藝。電化學(xué)高級(jí)氧化工藝的核心在于陽極材料。常用的陽極材料包括石墨電極、金屬電極（Cu、Pb等）、金屬氧化物電極（MnO₂、RuO₂、NiO等）以及摻硼金剛石（BDD）電極。其中，BDD電極具有電化學(xué)勢(shì)窗寬、背景電流小、介電常數(shù)低、可逆性好、空穴遷移率高等特點(diǎn)，在污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近年來的研究熱點(diǎn)。

摻硼金剛石電極處理污水原理

BDD是金剛石中一部分碳原子被硼原子取代的金剛石材料。因金剛石本征電阻可達(dá)到10¹⁶Ω·cm，是一種性能優(yōu)良的絕緣材料。當(dāng)硼原子摻雜進(jìn)入金剛石中，金剛石從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體。這是由于硼原子進(jìn)入金剛石晶格后產(chǎn)生空穴載流子，使之成為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。隨著硼摻雜濃度的增加，金剛石中的空穴濃度隨之增加，載流子濃度增加，導(dǎo)電性能提升。

在通電條件下，BDD表面會(huì)將水中的有機(jī)物直接或者間接地氧化成無毒無害的無機(jī)物。直接氧化法是指有機(jī)污染物吸附在陽極表面，在陽極高電勢(shì)的作用下失去電子，從而被氧化為CO₂、H₂O等物質(zhì)。間接氧化法則是指陽極電極與水反應(yīng)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化作用的羥基自由基（·OH）活性基團(tuán)，羥基自由基與有機(jī)污染物間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，最終將有機(jī)污染物氧化為CO₂、H₂O等物質(zhì)。因此，提高BDD電極污水處理效率的主要方法便是增加BDD電極的比表面積。隨著BDD電極的比表面積增加，有機(jī)污染物在電極表面的吸附位點(diǎn)增加，從而增加羥基自由基的產(chǎn)量，降解效率提高。構(gòu)建三維或多孔結(jié)構(gòu)是增加BDD電極比表面積的有效途徑之一。

摻硼金剛石電極處理污水示意圖

摻硼金剛石電極的制備方法

1 高溫高壓法

高溫高壓法（HPHT）是一種常用的人造金剛石合成方法。將石墨碳源以及觸媒按比例進(jìn)行混合后，經(jīng)過高溫高壓處理即可得到金剛石。在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)石墨碳源和觸媒合金進(jìn)行滲硼處理或是直接將硼粉與石墨碳源以及觸媒進(jìn)行機(jī)械混合的方式，即可制備出BDD粉體。使用高溫高壓法制備BDD時(shí)，金剛石顆粒通常需要在金屬溶劑的環(huán)境下析出，導(dǎo)致所制備得到的金剛石往往以微粉的形式存在，需進(jìn)一步燒結(jié)成形才能作為電極材料使用。

2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法（CVD）是將CH₄和H₂轉(zhuǎn)變?yōu)楹�碳基團(tuán)以及原子態(tài)氫，使其在基底材料上經(jīng)過多次的吸附、解析等過程最終形成金剛石薄膜。在使用化學(xué)氣相沉積制備金剛石膜的過程中，將氣態(tài)硼源作為原料氣體中或是在原料氣體中引入揮發(fā)性的液態(tài)、固態(tài)硼源，從而實(shí)現(xiàn)硼元素的直接摻雜，直接在基底上形成BDD薄膜�；瘜W(xué)氣相沉積法所制備得到的BDD膜性能穩(wěn)定，硼原子的摻雜濃度可控。同時(shí)，化學(xué)氣相沉積技術(shù)所制備得到的BDD膜可直接作為膜電極使用。常見的化學(xué)氣相沉積法包括熱絲化學(xué)氣相沉積法（HFCVD）以及微波等離子體化學(xué)氣相沉積法（MPCVD）。

3 模板法

模板法是選用具有特定形貌的基底材料，利用基底材料的表面形貌，制備具有高反應(yīng)活性面積的BDD電極材料的方法。模板法的關(guān)鍵問題在于選擇合適的基底材料。與相同尺寸的平板電極相比，三維BDD電極的反應(yīng)活性面積提升了20倍，降解效率提高了350倍。將孔隙率為80%的泡沫鎳作為基底，制備具有大孔徑、高孔隙率的BDD泡沫電極材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著比表面積的增加，起始電位和極限擴(kuò)散電流密度均得到增加，并且BDD的氧還原活性與比表面積大小成正比。

左為顆粒BDD電極，右為泡沫BDD電極（圖源湖南新鋒科技有限公司官網(wǎng)）

湖南新鋒科技有限公司在摻硼金剛石電極處理污水領(lǐng)域有著顯著的成果。公司將摻硼金剛石電極技術(shù)應(yīng)用于鋼鐵焦化廢水處理。鋼鐵焦化廢水成分復(fù)雜，含有大量的酚類、多環(huán)芳烴、氰化物等難降解有機(jī)物以及氨氮等污染物。新鋒科技采用的摻硼金剛石電極，利用其電化學(xué)高級(jí)氧化工藝的優(yōu)勢(shì)，通過直接氧化和間接氧化作用，有效地將廢水中的有機(jī)物氧化分解。在實(shí)際運(yùn)行中，鋼鐵焦化廢水中的酚類物質(zhì)去除率達(dá)到了90%以上，大大降低了廢水的毒性和化學(xué)需氧量（COD）。

此外，在核工業(yè)廢水處理方面，新鋒科技的摻硼金剛石電極也展現(xiàn)出了卓越的性能。核工業(yè)廢水含有放射性物質(zhì)和一些特殊的有機(jī)污染物，處理要求極高。摻硼金剛石電極在處理過程中，穩(wěn)定發(fā)揮其高電化學(xué)勢(shì)窗寬和強(qiáng)氧化能力的特點(diǎn)，不僅能分解廢水中的有機(jī)污染物，還能對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行一定程度的處理，降低其對(duì)環(huán)境的危害。例如，對(duì)于廢水中的某些特定有機(jī)配體，能夠快速氧化，減少放射性核素的遷移性，使得處理后的廢水更符合排放或進(jìn)一步處理的標(biāo)準(zhǔn)。

參考來源：

王博等：基于摻硼金剛石電極的工業(yè)廢水處理研究進(jìn)展

李蓮蓮等：高性能摻硼金剛石電極的研究進(jìn)展

長沙晚報(bào)：玩轉(zhuǎn)金剛石，搞定“治污活”

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請(qǐng)告知?jiǎng)h除！