【原创】有机废水难降解？金刚石电极搞定它

中国粉体网讯  随着现代经济和社会的快速发展，各行业的污水排放量日益增加，污染物成分也越来越复杂，对人体健康和生态环境都产生了巨大的破坏。如何处理这些污水，成了全人类共同面对的巨大挑战。

电化学高级氧化工艺作为一种新型污水处理工艺，由于其具有所需设备简单、操作容易、控制方便、适用范围广、无需添加化学试剂等优点被视为一种极具应用潜力的污水处理工艺。电化学高级氧化工艺的核心在于阳极材料。常用的阳极材料包括石墨电极、金属电极（Cu、Pb等）、金属氧化物电极（MnO₂、RuO₂、NiO等）以及掺硼金刚石（BDD）电极。其中，BDD电极具有电化学势窗宽、背景电流小、介电常数低、可逆性好、空穴迁移率高等特点，在污水处理中具有广阔的应用前景，成为近年来的研究热点。

掺硼金刚石电极处理污水原理

BDD是金刚石中一部分碳原子被硼原子取代的金刚石材料。因金刚石本征电阻可达到10¹⁶Ω·cm，是一种性能优良的绝缘材料。当硼原子掺杂进入金刚石中，金刚石从绝缘体转变为半导体。这是由于硼原子进入金刚石晶格后产生空穴载流子，使之成为空穴型半导体或P型半导体。随着硼掺杂浓度的增加，金刚石中的空穴浓度随之增加，载流子浓度增加，导电性能提升。

在通电条件下，BDD表面会将水中的有机物直接或者间接地氧化成无毒无害的无机物。直接氧化法是指有机污染物吸附在阳极表面，在阳极高电势的作用下失去电子，从而被氧化为CO₂、H₂O等物质。间接氧化法则是指阳极电极与水反应产生具有强氧化作用的羟基自由基（·OH）活性基团，羟基自由基与有机污染物间发生氧化还原反应，最终将有机污染物氧化为CO₂、H₂O等物质。因此，提高BDD电极污水处理效率的主要方法便是增加BDD电极的比表面积。随着BDD电极的比表面积增加，有机污染物在电极表面的吸附位点增加，从而增加羟基自由基的产量，降解效率提高。构建三维或多孔结构是增加BDD电极比表面积的有效途径之一。

掺硼金刚石电极处理污水示意图

掺硼金刚石电极的制备方法

1 高温高压法

高温高压法（HPHT）是一种常用的人造金刚石合成方法。将石墨碳源以及触媒按比例进行混合后，经过高温高压处理即可得到金刚石。在此基础上，通过对石墨碳源和触媒合金进行渗硼处理或是直接将硼粉与石墨碳源以及触媒进行机械混合的方式，即可制备出BDD粉体。使用高温高压法制备BDD时，金刚石颗粒通常需要在金属溶剂的环境下析出，导致所制备得到的金刚石往往以微粉的形式存在，需进一步烧结成形才能作为电极材料使用。

2 化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）是将CH₄和H₂转变为含碳基团以及原子态氢，使其在基底材料上经过多次的吸附、解析等过程最终形成金刚石薄膜。在使用化学气相沉积制备金刚石膜的过程中，将气态硼源作为原料气体中或是在原料气体中引入挥发性的液态、固态硼源，从而实现硼元素的直接掺杂，直接在基底上形成BDD薄膜。化学气相沉积法所制备得到的BDD膜性能稳定，硼原子的掺杂浓度可控。同时，化学气相沉积技术所制备得到的BDD膜可直接作为膜电极使用。常见的化学气相沉积法包括热丝化学气相沉积法（HFCVD）以及微波等离子体化学气相沉积法（MPCVD）。

3 模板法

模板法是选用具有特定形貌的基底材料，利用基底材料的表面形貌，制备具有高反应活性面积的BDD电极材料的方法。模板法的关键问题在于选择合适的基底材料。与相同尺寸的平板电极相比，三维BDD电极的反应活性面积提升了20倍，降解效率提高了350倍。将孔隙率为80%的泡沫镍作为基底，制备具有大孔径、高孔隙率的BDD泡沫电极材料，结果发现：随着比表面积的增加，起始电位和极限扩散电流密度均得到增加，并且BDD的氧还原活性与比表面积大小成正比。

左为颗粒BDD电极，右为泡沫BDD电极（图源湖南新锋科技有限公司官网）

湖南新锋科技有限公司在掺硼金刚石电极处理污水领域有着显著的成果。公司将掺硼金刚石电极技术应用于钢铁焦化废水处理。钢铁焦化废水成分复杂，含有大量的酚类、多环芳烃、氰化物等难降解有机物以及氨氮等污染物。新锋科技采用的掺硼金刚石电极，利用其电化学高级氧化工艺的优势，通过直接氧化和间接氧化作用，有效地将废水中的有机物氧化分解。在实际运行中，钢铁焦化废水中的酚类物质去除率达到了90%以上，大大降低了废水的毒性和化学需氧量（COD）。

此外，在核工业废水处理方面，新锋科技的掺硼金刚石电极也展现出了卓越的性能。核工业废水含有放射性物质和一些特殊的有机污染物，处理要求极高。掺硼金刚石电极在处理过程中，稳定发挥其高电化学势窗宽和强氧化能力的特点，不仅能分解废水中的有机污染物，还能对放射性物质进行一定程度的处理，降低其对环境的危害。例如，对于废水中的某些特定有机配体，能够快速氧化，减少放射性核素的迁移性，使得处理后的废水更符合排放或进一步处理的标准。

参考来源：

王博等：基于掺硼金刚石电极的工业废水处理研究进展

李莲莲等：高性能掺硼金刚石电极的研究进展

长沙晚报：玩转金刚石，搞定“治污活”

（中国粉体网编辑整理/留白）

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