电化学法去除水中溴酸盐的研究进展
2018-10-21刘佳
摘要：含溴离子水源水在臭氧消毒过程中产生的溴酸盐具有一定的DNA和染色体水平的遗传毒性，被国际癌症研究机构列为潜在致癌物质。本文综述了国内外采用不同电极电催化去除溴酸盐的研究成果。
关键词：溴离子；溴酸盐；电化学；去除
一、地表水源中的溴离子
地球上大部分的溴元素以Br-的形态存在于咸水湖和海水中，自然水体中的Br-浓度通常为0.015～0.2mg/L。溴离子本身无毒性，《生活饮用水卫生标准GB5749-2006》中也未规定其限值标准。但其作为溴酸盐等消毒副产物的前体物，含量决定着后续水处理工艺中溴酸盐的可能产生量。一般认为当原水中溴离子浓度在50-100μg/L之间时，经过臭氧高级氧化工艺有可能形成溴酸盐，若原水中溴离子浓度超过100μg/L，严重时溴酸盐将超过饮用水标准中规定的最大容许浓度（100μg/L）。
二、饮用水中溴酸盐的产生途径
溴酸盐由于能够致DNA损伤、致癌及致畸而受到广泛关注，被世界卫生组织（WHO）定為2B级潜在致癌物。
目前对BrO3-生成机制研究较多的是臭氧消毒工艺。臭氧消毒工艺中溴酸盐的生成途径通常分为三种：一是O3直接氧化途径，二是直接一间接氧化途径（先O3氧化后·OH氧化），三是间接一直接氧化途径（先·OH氧化后O3氧化）。除此之外，黄鑫等人使用UV/C12联合工艺处理长江原水时发现部分溴离子被氧化生成溴酸根离子。
三、电化学去除溴酸盐
国内外针对溴酸盐的去除技术开展了大量的研究工作，主要包括活性炭吸附法、离子交换法、光降解法、化学还原法及电化学法。其中电化学法利用特制的电极，在不添加化学试剂的情况下通过电解达到降解污染物目的，以其环境友好、工艺形式灵活、设备简单、易于实现工业化等优势广泛应用于饮用水的消毒及污染物去除。
电化学去除溴酸盐主要是通过溴酸盐溶液在电极上发生还原反应达到去除目的，主要通过两个途径：直接还原和间接还原。直接还原是指溴酸盐直接在阴极上得到电子发生还原反应；间接还原是指利用电化学反应过程中H+或H2O电解产生的强还原性氢原子H+作为催化剂还原溴酸盐的方法。
Naoyuki Kishimoto和Nobuaki Matsuda研究了溴酸盐在活性炭毡电极反应器中的去除情况，考察了pH、电压等因素对还原效果的影响。结果表明电压为7V时，接触反应9.2s后达到最优去除率为52%。
Liang Ding等人通过原位化学氧化法合成聚苯胺/多壁碳纳米管修饰玻碳电极还原溴酸盐。反应60min后，初始浓度为10mg/L的溶液去除率最高，为48.9%。而用聚苯胺改性玻碳电极后还原溴酸盐，pH为7时反应25min后去除率可达99%。实验中溴酸盐的还原产物Br-会持续掺杂到聚苯胺链中，致使聚苯胺改性电极的电催化性能随着电还原反应的进行而降低。
K.Matziaris等人对锡电极进行了电化学性能测试，结果表明锡电极对溴酸盐有很好的催化还原性能，反应150min后能去除75.6%的溴酸盐。
Naoyuki Kishimoto等人研究了分层铜网做阴极快速去除水中溴酸盐的可行性，实验表明在中性pH附近，经过3.6min的反应可将初始浓度为30μg/L的溴酸盐溶液降解至10μg/L。
李昂臻等人比较了石墨电极、碳纸电极、泡沫镍电极及泡沫铜电极对溴酸盐的去除效果，在反应时间10min内，泡沫铜电极去除率最高，泡沫镍电极次之。反应60min后泡沫铜电极去除率可达到97.7%，且随着阴极电势的降低，去除率先升高后降低。
黄鑫、刘佳等人通过一步化学沉积法在Ni foam基底上负载Pd颗粒，极大增加了其比表面积和活性位点，过渡金属Pd易于将水解产生的H*储存在其晶格中，形成表面化合物Pd-H*，增强了整个电极对BrO3-的催化去除能力。在pH为7时反应3h后对溴酸盐的去除率可达到90.7%，还原产物主要为Br-。
四、结语
电化学法具有一定的去除溴酸盐的效果，不同电极的催化还原溴酸盐性能差异较大，电极是实现电化学反应的关键因素，决定着处理过程中的反应速度和电流效率等，性能优良的催化电极是取得满意去除效果的前提。
