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SnO2-Sb电催化膜对左氧氟沙星的去除性能研究

赵黄凯 ,  施荣凯 ,  马祥博 ,  朱子建 ,  魏永

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 194 -203.

PDF (6983KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (2) : 194-203. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.031
科研与开发

SnO2-Sb电催化膜对左氧氟沙星的去除性能研究

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Research on the removal performance of levofloxacin by SnO2-Sb electrocatalytic membrane

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摘要

通过电沉积-水热法改性制备了CM/SnO2-Sb电催化膜,并优化了电催化降解左氧氟沙星的条件。采用FESEM(场发射扫描电镜)、EDS(能量色散光谱)、XRD(X射线衍射)、XPS(X射线光电子能谱)以及LSV(线性扫描伏安法)、EIS(电化学阻抗谱)、CV(循环伏安法)等手段对电催化膜进行表征与分析。结果表明,制备条件为6 V-30 min时,SnO2-Sb能很好的负载至炭膜(Carbon membrane,CM)表面,SnO2-Sb的掺杂为CM提供了更大的比表面积,为降解LEV提供了更多反应位点;相比于CM其比电容从430 F/g提升至1721.04 F/g,电化学阻抗由672 Ω降至185 Ω。通过单因素试验考察了LEV浓度、电压和电解质浓度的最优范围;通过响应面法优化了最佳运行条件:LEV浓度72.4 mg/L、工作电压2.6 V、电解质浓度7.4 g/L,此时LEV去除率可达95.91%,膜压差变化值(ΔTMP)仅为0.390 kPa。

Abstract

The electrocatalytic membranes of CM/SnO2-Sb were prepared by electrodeposition-hydrothermal modification,and the conditions for electrocatalytic degradation of levofloxacin were optimized.FESEM (Field emission scanning electron microscope),EDS (Energy dispersive spectrometer),XRD (X-ray diffraction),XPS (X-ray photoelectron spectroscopy),LSV (Linear sweep voltammetry),EIS (Electrochemical impedance spectroscopy),CV (Cyclic voltammetry) and other methods were used to characterize and analyze the electrocatalytic membranes.The results indicate that under preparation conditions of 6 V for 30 minutes,SnO2-Sb is well loaded onto the surface of the carbon membrane (CM).The doping of SnO2-Sb provides a larger specific surface area for the CM,offering more reaction sites for the degradation of LEV;compared to CM,its specific capacitance increases from 430 F/g to 1 721.04 F/g,and the electrochemical impedance decreases from 672 Ω to 185 Ω.The optimal range of LEV concentration,voltage and electrolyte concentration was investigated by single factor experiment.The optimal operating conditions were optimized by the response surface:LEV concentration of 72.4 mg/L,operating voltage of 2.6 V,and electrolyte concentration of 7.4 g/L,at which the LEV removal rate could reach 95.91% and the membrane differential pressure change value (ΔTMP) was only 0.390 kPa.

Graphical abstract

关键词

电沉积 / 响应面法 / 左氧氟沙星 / 膜制备 / 电催化

Key words

electrodeposition / response surface methodology / levofloxacin / membrane preparation / electrocatalysis

Author summay

赵黄凯(2000-),男,硕士生,研究方向为水处理理论与技术研究, 。

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赵黄凯,施荣凯,马祥博,朱子建,魏永. SnO2-Sb电催化膜对左氧氟沙星的去除性能研究[J]. 现代化工, 2026, 46(2): 194-203 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.02.031

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抗生素是由微生物在代谢过程中产生或通过化学合成的生理活性物质[1]。据统计,我国每年抗生素产量约2.2×105 t,其中氟喹诺酮类(FQs)以年使用量超3×104 t,位列前3[2]。作为第3代氟喹诺酮代表药物,左氧氟沙星(Levofloxacin,LEV)由于具有抗菌谱广、副作用少、吸收效果好等优点被广泛应用[3]。然而,LEV的化学稳定性高,很难被微生物降解,导致在污水处理厂出水口、河流和湖泊等地方大量检测出其成分[4]。环境中的LEV不仅会显著抑制藻类生长,还能诱导微生物产生抗性基因,进而形成耐药细菌,增加超级细菌出现的风险,从而破坏水生生态环境和威胁人类身体健康[5]。
水体中抗生素的处理技术主要有生物降解[6]、吸附[7]、膜分离和电化学氧化[8]等,但这些方法均具有一定的缺陷,比如吸附法运行成本高且存在二次污染的风险;生物处理法则存在周期长、菌群特异性强等特点;膜处理法则存在膜污染等问题。相对而言,电化学高级氧化技术凭借其高效催化能力、环境兼容性及操作便捷等优势备受关注[9]。其中,电催化膜是一种将电化学高级氧化与膜分离耦合的技术,它不仅可以提升系统的去除效率、减轻膜污染,还能降低能耗、减少运行成本[10]。该系统的核心在于导电催化膜兼具分离介质与阳极功能,通过直流电场作用形成协同处理机制,膜组件凭借其截留特性实现对污染物的初步分离,当施加适度电场时,导电膜会展现出电化学性能,可以直接氧化矿化污染物或者通过膜产生的·OH自由基等活性基团间接氧化[11]。当前使用较多的导电膜有炭膜、钛膜等;但相较于钛膜,炭膜具有较大的比表面积和三维多孔结构,这为电子传输提供了高效通道;炭基骨架形成的网络结构表现出优异的机械稳定性和化学惰性,在腐蚀性环境中仍能保持性能稳定,同时炭膜的成本远低于钛膜,可以大规模使用。
本研究以家用活性炭滤芯为炭基膜(CM),通过电沉积-水热法改性制备CM/SnO2-Sb电催化膜,并考察了其最佳制备条件,此外,通过单因素分析不同运行条件下电催化膜对LEV去除效果和膜污染情况,最后通过响应面法优化其运行参数。

1 材料及方法

1.1 实验材料及仪器

炭基膜购于河北百饮环保科技有限公司,孔径(0.5±0.05)μm;钛网购于清河县明轩金属材料购销处。左氧氟沙星(C18H20FN3O4,≥98%)、硫酸钠(Na2SO4)、硝酸钠(NaNO3)、碳酸钠(Na2CO3)、一水合柠檬酸(C6H5NO4)、氯化亚锡二水合物(SnCl2·2H2O,≥98%)、氯化锑(SbCl3,≥99%)等均为分析纯,购于上海阿拉丁生化科技有限公司。

1.2 性能表征

采用场发射扫描电镜(FESEM,Zeiss-Supra55)分析膜材料表面形态结构;能谱仪(EDS)分析样品元素组成及含量比例;X射线衍射(XRD,Smartlab9)分析膜的组成和结构;通过X射线光电子能谱(XPS,Thermo Scientific K-Alpha)表征膜表面元素组成和化学态。线性伏安扫描(LSV),扫描速率为20 mV/s,扫描电压范围为0~2.5 V;电化学阻抗谱曲线(EIS),测试电压为5.0 mV开路电压,频率范围为0.05~10 kHz;循环伏安扫描(CV),扫描速率为15 mV/s,扫描电压范围为0~1.5 V,以上3种电化学测试均采用CS350M型电化学工作站,测试溶液均为0.1 mol/L的Na2SO4溶液。

1.3 CM/SnO2-Sb制备

采用电沉积-水热法制备CM/SnO2-Sb电极,如图1所示,具体步骤如下:首先对CM进行表面预处理,依次用质量分数为10%的H2SO4溶液酸洗、10%的NaOH溶液碱洗以去除表面杂质,随后经去离子水反复冲洗至中性并干燥。将13.5 g C6H5NO4溶解于500 mL去离子水中制备柠檬酸溶液;再将5.17 g SnCl2·2H2O晶体溶解于适量盐酸溶液中形成透明前驱液;然后把0.57 g SbCl3分散于上述柠檬酸溶液中以抑制锑盐水解;最后将上述两种溶液混合并磁力搅拌2 h,获得SnO2-Sb电解液。
以预处理后的CM作为阴极、钛网为阳极,固定电沉积时间,调节电沉积电压(3、6、9 V),制备出不同电沉积电压条件下的CM/SnO2-Sb;然后固定电沉积电压,调节电沉积时间(10、30、50 min),制备出不同电沉积时间条件下的CM/SnO2-Sb。将制备好的电催化膜经去离子水冲洗干净,随后转移至80℃恒温水浴中进行1 h加热处理,再于烘箱中干燥 2 h,最终获得CM/SnO2-Sb电催化膜(图1)。

1.4 电催化降解LEV

试验操作流程如图2所示,将预先配置一定浓度的LEV溶液注入烧杯中。控制膜通量不变,保持一定浓度的电解质(Na2SO4)浓度、一定的工作电压及极板间距(5 mm)。蠕动泵采用间歇循环方式运行:运行8 min后暂停2 min。每组试验平行3次,取均值。LEV的去除率采用公式(1)计算。
L E V r ( % ) = [ ( L E V 0 - L E V t ) / L E V 0 ] × 100 %
式中,LEVr为LEV去除率,%;LEV0为初始LEV浓度,mg/L;LEVt为运行t时间后膜出水LEV浓度,mg/L。

2 结果与讨论

2.1 理学性能表征

2.1.1 FESEM分析

图3为CM和6 V-30 min条件下改性的CM/SnO2-Sb的FESEM图。原始CM[图3(a)、(c)]膜表面平整且光滑;相比之下,经Sn和Sb元素掺杂改性的CM/SnO2-Sb[图3(b)、(d)]表面呈现出絮状的沉积物,增加了CM的粗糙度及电催化活性物种。同时粗糙度的增大提高了催化膜的比表面积,为电化学反应提供了更多的活性位点,从而提升电极的催化活性[12]。

2.1.2 EDS分析

为了进一步分析CM和6 V-30 min条件下CM/SnO2-Sb上负载粒子的各个元素的含量,进一步做了EDS能谱元素分析,结果如图4和表1所示。根据EDS分析结果,CM中C元素含量达99.05%,氧含量仅为0.95%,而在CM/SnO2-Sb中,C元素相较于CM下降了13.8%,同时氧含量上升至13.07%,并检测到1.04%的Sn元素和0.64%的Cl元素,表明SnO2成功负载在碳材料表面。氧含量的增加主要来源于Sn被氧化生成的SnO2,Cl的存在可能源于电沉积液中的氯酸盐和盐酸[13]。未检测到Sb元素,可能由于掺杂量低或被SnO2粒子所包裹。

2.1.3 XRD分析

图5为CM和6 V-30 min制备条件下CM/SnO2-Sb的XRD分析图,CM在20~30°出现的2个明显的衍射峰,对应的是碳在(002)和(100)晶面的反射的衍射峰,表明炭膜本体以石墨化的晶体结构为主[14]。相比之下,CM/SnO2-Sb除了保留碳的特征衍射峰外,在2θ=33.8°处新出现一个较弱的衍射峰,对应于SnO2的(101)晶面,由于掺杂了锑,晶格参数略有变化。这也证实了改性膜是结晶性的,由于Sb元素被Sn元素所包裹,没有检测出Sb的衍射峰[15]。

2.1.4 XPS分析

图6(a)为6 V-30 min条件下CM/SnO2-Sb的XPS全谱图。由图6(a)可知,CM/SnO2-Sb具有典型的C 1s,Sn 3d5/2,Sn 3d,O 1s,Sb 3d3/2,Sn 3p3/2特征峰,表明其由C,Sn,Sb和O元素组成,证明Sb元素成功负载。图6(b)为CM/SnO2-Sb中Sn 3d的XPS谱图,图中两个峰分别对应着Sn 3d5/2和 Sn 3d3/2,其氧化峰的结合能分别为486.58 eV和495.48 eV。Sn的两个峰位置与原SnO2相比发生了偏移,证明Sb离子被置换进SnO2晶格中,这与XRD的结果相一致[16]。图6(c)为CM/SnO2-Sb中Sb 3d的XPS谱图,通过曲线拟合后,Sb 3d5/2峰的结合能为531.4 eV,Sb主要以Sb5+的形式存在,而 O 1s光谱被解析为低结合能晶格氧(Olat)和吸附氧(Oads),与晶格氧(Olat)相比,吸附氧(Oads)越多,代表其产生的活性位点越多,在电催化反应中能生成更多的自由基[17]。

2.2 电化学性能表征

2.2.1 LSV分析

为探究SnO2-Sb掺杂对电极材料电催化性能的影响,采用LSV对改性前后的电催化膜进行了表征,表征结果如图7所示。结果显示,当电压达到1.5 V后,随着电压继续的升高,电流迅速增加,表明系统中发生了析氧反应。通过曲线切线的反向延长线与横轴的交点,可以确定析氧电位。从结果可以看出,SnO2-Sb掺杂后电极的析氧电位有所提高,说明负载SnO2-Sb有助于抑制析氧副反应的发生,进而提升电极对有机物电催化氧化的效率。

2.2.2 EIS分析

图8展示了不同制备条件下电催化膜的电化学阻抗分析图,电化学阻抗分析用于确定电催化膜的电子传递阻抗。圆弧的直径大小反映了电化学阻抗的强弱,直径越大,电化学阻抗越强[18]。图8(a)为不同电沉积电压下的EIS曲线,可以看出,电沉积6 V(185 Ω)条件下的电阻抗最小,电沉积3 V(293 Ω)的电阻抗次之。这是因为较低电压下,SnO2-Sb无法很好地附着于电催化膜表面,导致电化学阻抗较大。而在9 V(726 Ω)条件下,电阻抗大于CM(672 Ω),原因是过高的电压会导致膜表面发生腐蚀,破坏炭膜原有结构,从而使阻抗大于原始炭膜[13]。图8(b)为不同电沉积时间下的EIS曲线。可以看出,在电沉积时间为30 min时,电催化膜的阻抗最小,表现出最佳的电化学性能。这是因为沉积时间过短导致沉积不充分;沉积时间过长,则使得Sn和Sb的过度沉积和团聚,活性位点减少,从而导致其电导性和电催化活性下降[19]。

2.2.3 CV分析

对于交流电而言,相同频率下,电容越大,其对电流的阻碍越小[20]。通过CV曲线分析电极的电化学行为,并对曲线进行积分可获得伏安电荷量q*,该参数可用于表征电极的电化学活性面积,q*值越大,说明电极的电催化活性越高[21]。如图9所示,分别测试了不同制备条件下的CV曲线。根据式(2)计算,不同制备条件下的比电容分别为:CM为430 F/g,3 V-30 min为1 310.7 F/g,6 V-30 min为1 721.04 F/g,9 V-30 min为249.66 F/g,6 V-10 min为1 035.75 F/g,6 V-50 min为781.25 F/g。其中,在6 V-30 min条件下比电容最大,表明该条件下电极具有最佳的电催化性能;而在9 V-30 min条件下,比电容反而低于CM,说明电极性能下降,这与EIS分析结果相一致。
C p = A / [ 2 ( V 2 - V 1 ) × m × k ]
式中Cp为比电容,F/g;A为CV曲线面积,AV;m为电极质量,g;k为CV曲线的扫描速率,V/s;(V2-V1)为CV测试的扫描点位范围。

2.3 CM/SnO2-Sb制备条件优化

2.3.1 电沉积电压

图10(a)、(b)展示了在电沉积时间为30 min的条件下,不同电沉积电压对炭膜电极去除LEV的效果和对膜压差变化值(ΔTMP)的影响。结果显示,电压为6 V时电极对LEV的去除率最高,同时其ΔTMP最低,说明该电极在具有优异电催化活性的同时,有效减缓了膜污染。这是因为较高的电压有助于加快电沉积过程,促进电极表面晶体的成核,形成较小的晶体颗粒,从而提高了电极的电催化活性。而9 V因过高电压导致膜表面晶体过度生长,形成疏松多孔结构,易引发电化学腐蚀并使活性层剥落,最终降低电极性能并加剧膜污染。因此,6 V是制备高性能CM/SnO2-Sb电催化膜的最优电压条件。

2.3.2 电沉积时间

图11(a)展示了在电沉积电压为6 V的条件下,不同电沉积时间对炭膜电极去除LEV效果及膜分离性能的影响。当电沉积时间为10、30、50 min时,改性电极对污染物的最终去除效果相差不大。然而,从0~60 min的去除率曲线可以看出,随着电沉积时间的增加,去除率曲线呈现先增大后减小的趋势,在电沉积30 min时,电极对LEV的去除效果最佳。这是因为随着电沉积时间的延长,镀层厚度逐渐增加,电极表面的活性位点增多,催化活性增强[22],但时间过长反而会导致过度沉积,使得电催化性能降低。进一步结合图11(b)中ΔTMP的变化可以发现,30 min所制备电极的跨膜压差最低,说明该电极在高效去除污染物的同时,还具有更优的抗污染能力。因此,30 min为制备兼具高催化活性和抗污染能力的改性炭膜电极的最优电沉积时间。
通过试验和表征,确定CM/SnO2-Sb电催化膜的最佳制备条件为6 V-30 min,并以该条件下制备的电催化膜为基础,进一步优化LEV的降解条件。

2.4 LEV降解条件的优化

2.4.1 电解质种类对去除率和ΔTMP的影响

在电催化反应过程中,比较常见的电解质种类有Na2SO4、Na2CO3、NaNO3、NaCl,其中NaCl使用较多,但是,在使用NaCl作为电解质降解污染物的过程中,Cl-会产生有毒性的副产物,对环境带来潜在危害的同时,还可能引发水体的二次污染[23]。因此,本次试验考察了Na2SO4、Na2CO3、NaNO3这3种电解质。试验条件为:LEV浓度100 mg/L、工作电压3 V、电解质浓度9 g/L。如图12所示,经过 60 min反应后,Na2SO4体系下的LEV去除率最高,达94.62%,而Na2CO3和NaNO3体系分别为90.33%和87.67%;同时,对应的ΔTMP分别为0.397 kPa、0.451 kPa和0.491 kPa,显然Na2SO4体系的去除率最高,且膜污染最轻。当以Na2SO4作为电解质时,系统不仅会产生·OH,还会产生 · S O 4 -,加速对LEV的降解,且溶液电压更加稳定。当以NaNO3和Na2CO3为支持电解质时,溶液中的·OH会与 N O 3 -和 C O 3 2 -发生反应[式(3)、(4)],消耗掉一部分·OH[24]。加入Na2CO3,还会导致溶液呈碱性,增加析氧副反应发生[25]。因此,后续试验选取Na2SO4作为电解质。
$\mathrm{NO}_{3}^{-}+\cdot \mathrm{OH} \longrightarrow \mathrm{NO}_{3}+\mathrm{OH}^{-} $
$\mathrm{CO}_{3}^{2-}+\cdot \mathrm{OH} \longrightarrow \mathrm{CO}_{3}^{-}+\mathrm{OH}^{-} $

2.4.2 LEV浓度对去除率和ΔTMP的影响

在工作电压为3 V、Na2SO4浓度为9 g/L的条件下,图13(a)与图13(b)展示了不同初始LEV浓度对污染物去除效率和ΔTMP的影响。如图13(a)所示,随着LEV浓度的升高,LEV的去除率逐渐下降,尤其在浓度超过100 mg/L后去除率下降非常显著;当LEV浓度达到200 mg/L时,去除率降至90%以下。这主要是因为体系中自由基数量有限,当LEV浓度过高时,超出该体系中自由基的有效降解能力,导致去除效率骤降。而图13(b)显示,LEV浓度越高,ΔTMP越大,特别是在150 mg/L和200 mg/L时,膜压差急剧上升,说明膜污染加剧。这是因为随着LEV浓度的增加,电催化膜在氧化LEV过程中中间产物的生成量也随之增加,这些中间产物与LEV分子竞争有限的自由基,导致污染物在炭膜表面大量积聚,使得ΔTMP上升,致使膜污染并降低去除率。虽然LEV浓度越低去除率越高,但LEV浓度为100 mg/L时,去除率仍保持在94%以上。根据前人的研究,LEV浓度为100 mg/L更贴近实际废水处理情况,因此,后续试验将采用LEV浓度为 100 mg/L进行进一步研究[26];响应面的取值为 50~100 mg/L。

2.4.3 工作电压对去除率和ΔTMP的影响

在Na2SO4浓度为9 g/L、LEV浓度为100 mg/L的条件下,图14(a)和图14(b)展示了不同工作电压对LEV去除率和ΔTMP的影响。如图14(a)所示,随着工作电压的增大,LEV的去除率先升高后下降。当工作电压达到3 V时,LEV的去除率达到了最高值,超过94%。然而,当工作电压继续升高至4 V和5 V时,去除率出现下降趋势。图14(b)显示ΔTMP在1~3 V区间内逐渐下降,在3 V处达到最低,之后随着电压进一步升高至4 V和5 V,ΔTMP显著上升,表明膜污染加剧。这是因为适中的电压有利于促进自由基的大量生成,提高氧化反应效率,从而提升LEV的去除效果,并有效减缓膜污染情况。然而,当电压过高时,炭膜表面有气泡产生。此时,析氧反应占主导地位,导致自由基产生量减少,进而降低催化氧化效率,加速膜污染[27]。因此,后续试验中工作电压设定为3 V;响应面取值为2~4 V。

2.4.4 电解质浓度对去除率和ΔTMP的影响

在工作电压3 V、LEV浓度100 mg/L的条件下,图15(a)和图15(b)展示了不同Na2SO4浓度对LEV去除率和ΔTMP的影响。如图15(a)所示,LEV去除率随着Na2SO4浓度的增大而增大,当电解质浓度从3 g/L提升至6 g/L时,LEV去除率由90.44%提升至91.8%,当电解质浓度继续提升到 9 g/L时,LEV去除率达到94%以上,这是因为Na2SO4可以增加溶液的导电性,同时还能促进 · S O 4 -的生成,加速体系对LEV的分解。当电解质浓度从9 g/L提升至15 g/L时,其效果不明显,甚至出现负面效果,这是因为过量的 · S O 4 2 -可能会生成低氧化活性的 S 2 O 8 2 -,进而降低电催化氧化效率[28]。如图15(b)所示,随着Na2SO4浓度的上升,ΔTMP先降低后升高。在9 g/L浓度下,ΔTMP达到最低值,表明此时膜污染最轻。浓度超过9 g/L时,膜压差升高,可能是由于中间产物的积聚加剧了膜污染。这也与LEV去除率结果一致。因此,将电解质浓度设定为9 g/L;响应面取值为6~12 g/L。

2.5 响应面法优化(Response Surface Methodology,RSM)

根据上述实验以LEV浓度、电压、电解质浓度作为影响LEV去除率的3个因素,基于Box-Behnken设计三水平三因素实验,实验设计结果如表2所示。
采用BBD试验设计方法,总试验次数为17次,各试验条件以及所得的去除率如表3所示。
对试验数据使用DesignExpert-12进行拟合,建立二次多项式拟合模型,分析LEV去除。各因素经回归拟合后,得二次多项回归方程如式(5)、(6)所示:

Y 1 = 94.62 - 1.87 A - 0.0787 B - 0.2637 C - 0.48 A B -

0.01 A C + 0.3575 B C - 0.2638 A 2 - 1.01 B 2 - 1.24 C 2

Y 2 = 0.397 + 0.0221 A - 0.003 B + 0.0051 C +

0.0085 A B - 0.0068 A C - 0.003 B C + 0.0026 A 2 +

0.0264 B 2 + 0.0181 C 2

两个回归方程的相关系数R2为0.960 0和0.975 0,校正系数 R a d j 2分别为0.908 6和0.942 8,表明方程拟合程度良好,预测值与实际值之间具有较好的相关性。

2.6 响应面法分析

图16为各因素交互作用影响的3D图。交互作用的3D图可以有效地表现两个因素之间的交互关系,3D图出现的曲面较为陡峭,说明两个因素之间的交互影响较大,反之则较小[29]。从图16(a)、16(d)中可以看出,当电压为2.5~3.5 V、LEV浓度为50~110 mg/L时,LEV的去除效果较好和膜污染程度较轻,在此范围之外,LEV的去除率和ΔTMP分别都有不同程度的变化。图16(b)、16(e)所示的交互3D图中可以看出,当电解质浓度在7~11 g/L、LEV浓度为50~110 mg/L时,LEV的去除效果较好和膜污染程度较轻,随着LEV浓度的增大,LEV去除率展现出下降的趋势;ΔTMP则表现出增大的趋势,这与单因素的试验结果一致。图16(c)、16(f)显示电压与电解质浓度二者的交互作用,当电压为2.5~3.5 V、电解质浓度在7~11 g/L时,LEV的去除率较高和膜污染程度较轻,在此范围之外,LEV的去除率较低和ΔTMP相对较大。
在RSM响应面的基础上,对反应条件进行优化,计算得出,电解质浓度7.4 g/L、电压2.6 V、LEV浓度72.4 mg/L为最优条件,在此试验条件下LEV去除率为95.6%、ΔTMP为0.392 kPa。采用优化参数进行验证试验,实际处理后LEV去除率为95.91%、ΔTMP为0.390 kPa,符合误差。

2.7 通电与不通电LEV去除率和TMP对比

如图17(a)所示,选取6 V-30 min条件下制备的CM/SnO2-Sb电催化膜进行了对比试验。在通电条件下前30 min的LEV去除率远高于不通电条件下,在试验进行30 min后去除率逐渐趋于平稳。从图17(b)看出,通电条件下的TMP始终低于不通电条件,其对应的ΔTMP为0.390 kPa和0.508 kPa。该现象说明膜发挥了电催化作用,将部分污染物成功氧化分解,降低了污染物在膜表面的沉积与累积,从而使得膜污染情况得到有效缓解。
基于上述结果,推断了CM/SnO2-Sb电催化膜的运行机理,如图18所示。
由图18所示,在蠕动泵的驱动下,溶液中的LEV分子随着水流移动到膜表面,CM/SnO2-Sb电催化膜会拦截部分LEV分子富集在膜表面和孔道,由于CM/SnO2-Sb电催化膜表现出出色的电化学活性(直接氧化和间接氧化),因此LEV到达膜表面附近或孔通道时会发生电化学氧化,从而降低膜表面的LEV和中间产物浓度,有效降低膜污染情况。

3 结论

在本研究中,通过Sn-Sb改性制备了CM/SnO2-Sb电催化膜,并考察了去除LEV的最佳运行条件。
(1)当改性条件为6 V-30 min时,CM/SnO2-Sb膜具有最好的电催化性能。SnO2-Sb的掺杂为其提供了更粗糙的表面及更多活性反应位点,Sb以Sb5+形式稳定存在,使其膜表面吸附氧提升;比电容从430 F/g提升至1 721.04 F/g,电化学阻抗由672 Ω降至185 Ω。
(2)通过响应面法优化,确定最佳运行条件为:电解质浓度为7.4 g/L,电压为2.6 V,LEV浓度为72.4 mg/L,在此试验条件下LEV去除率为95.91%,ΔTMP为0.390 kPa。
(3)改性后的CM/SnO2-Sb电催化膜,充分发挥其电催化作用,提高了去除效率,并有效地减少了膜污染。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Zhang Q, Zhang G, Liu D, et al. A dataset of distribution of antibiotic occurrence in solid environmental matrices in China[J]. Scientific Data, 2022, 9(1):276.

[2]

温丽联, 宋金明, 李学刚, 等. 氟喹诺酮类合成药物的生物地球化学行为及生态环境效应[J]. 应用生态学报, 2023, 34(6):1680-1692.

[3]

神舒晴, 梁仪, 马嘉伟, 等. 环境微生物降解氟喹诺酮类药物的研究进展[J]. 农业生物技术学报, 2024, 32(6):1440-1451.
[4]

Huang F, An Z, Moran M J, et al. Recognition of typical antibiotic residues in environmental media related to groundwater in China (2009=2019)[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 399:122813.

[5]

卢洪斌, 卢少勇, 曾泽泉, 等. 湿地植物黄花鸢尾对左氧氟沙星的降解机制[J]. 环境科学与技术, 2025, 48(3):163-168.
[6]

Mandal S, Islam M, Ghosh P, et al. Reliable detection of fluoroquinolones in pharma-effluents:Increasing exposure in environment triggers rise of antimicrobial resistance[J]. Chemistry Select, 2023, 8(2):e202203353.
[7]

Shi Y J, Yang L, Liao S F, et al. Responses of aerobic granular sludge to fluoroquinolones:Microbial community variations,and antibiotic resistance genes[J]. Journal of Hazardous Materials, 2021, 414:125527.

[8]

De O S Santos G, Vasconcelos V M, Da Silva R S, et al. New laser-based method for the synthesis of stable and active Ti/SnO2-Sb anodes[J]. Electrochimica Acta, 2020, 332:135478.

[9]

Sun Y, Cheng S, Yu Z, et al. Elucidating deactivation mechanisms of Pd-doped and un-doped Ti/SnO2-Sb electrodes[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 834:155184.

[10]

李苹. 碳材料电化学过滤法对水中氟苯尼考的降解研究[D]. 青岛: 青岛理工大学, 2023.
[11]

李冰青. 电催化-膜一体化反应器处理工业废水典型污染物性能[D]. 西安: 陕西科技大学, 2023.
[12]

张海澜. 电沉积与溶胶-凝胶法结合制备Gd掺杂锡锑电极及其性能研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2022.
[13]

张新奇, 朱孟府, 邓橙, 等. PTFE/Bi-SnO2-CNT电催化膜的结构及性能表征[J]. 膜科学与技术, 2019, 39(1):34-40.
[14]

魏永, 郭子寅, 袁学锋, 等. Bi-SnO2电催化膜的制备及对饮用水中卡马西平的强化去除[J]. 中国环境科学, 2024, 44(5):2543-2553.
[15]

杨凡. 掺杂改性Ti/SnO2-Sb电极的制备及其电催化氧化罗丹明B的研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2022.
[16]

王艺谋. 高性能Ti/SnO2-Sb阳极的制备及其苯酚降解性能研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2022.
[17]

路淼. Ti/SnO2-SbOx基复合电极对钾浮选剂的电催化降解行为与机制[D]. 西宁: 中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所), 2024.
[18]

李雪燕. Bi-SnO2/GO电催化膜的制备及对大肠杆菌去除性能研究[D]. 天津: 天津科技大学, 2020.
[19]

徐慧敏, 赵蕾, 何峰, 等. Sb-SnO2/OMC电催化膜对水中大肠杆菌的去除效果[J]. 水处理技术, 2022, 48(3):36-39,45.
[20]

侯志炎. 含镍电镀污泥制备超级电容器电极材料及其电化学性能研究[D]. 乌鲁木齐: 新疆大学, 2021.
[21]

李成才. 柞木基活性炭的制备及其电化学性能研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2021.
[22]

杨卫华, 王鸿辉, 付芳, 等. 电沉积条件对Ti/Sb-SnO2/β-PbO2电极性能的影响[J]. 华侨大学学报:自然科学版, 2010, 31(3):297-301.
[23]

Duan P, Gao S, Lei J, et al. Electrochemical oxidation of ceftazidime with graphite/CNT-Ce/PbO2-Ce anode:Parameter optimization,toxicity analysis and degradation pathway[J]. Environmental Pollution, 2020, 263:114436.

[24]

Wang J, Wang S. Effect of inorganic anions on the performance of advanced oxidation processes for degradation of organic contaminants[J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 411:128392.

[25]

Yao Y, Teng G, Yang Y, et al. Electrochemical oxidation of acetamiprid using Yb-doped PbO2 electrodes:Electrode characterization,influencing factors and degradation pathways[J]. Separation and Purification Technology, 2019, 211:456-466.

[26]

孔畏煜. 电催化臭氧深度处理废水中氧氟沙星关键参数及性能研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2024.
[27]

符远航. 负载多壁碳纳米管的多孔Ti/SnO2-Sb-Ni电极电催化氧化双酚A[D]. 重庆: 西南大学, 2022.
[28]

郭春会, 黄雨欣, 唐柏彬, 等. 负载多壁碳纳米管的Ti/SnO2-Sb-Ni电极电催化降解水中左氧氟沙星[J]. 环境科学学报, 2024, 44(1):242-251.
[29]

刘欣语, 王玉婷, 邰广鑫, 等. 响应面法优化姜黄素凝胶剂及其稳定性评价[J]. 常熟理工学院学报, 2024, 38(2):51-56.

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