中國粉體網訊 隨著現代經濟和社會的快速發展，各行業的污水排放量日益增加，污染物成分也越來越復雜，對人體健康和生態環境都產生了巨大的破壞。如何處理這些污水，成了全人類共同面對的巨大挑戰。
電化學高級氧化工藝作為一種新型污水處理工藝，由于其具有所需設備簡單、操作容易、控制方便、適用范圍廣、無需添加化學試劑等優點被視為一種極具應用潛力的污水處理工藝。電化學高級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電極具有電化學勢窗寬、背景電流小、介電常數低、可逆性好、空穴遷移率高等特點，在污水處理中具有廣闊的應用前景，成為近年來的研究熱點。
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到1016Ω·cm，是一種性能優良的絕緣材料。當硼原子摻雜進入金剛石中，金剛石從絕緣體轉變為半導體。這是由于硼原子進入金剛石晶格后產生空穴載流子，使之成為空穴型半導體或P型半導體。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，導電性能提升。
在通電條件下，BDD表面會將水中的有機物直接或者間接地氧化成無毒無害的無機物。直接氧化法是指有機污染物吸附在陽極表面，在陽極高電勢的作用下失去電子，從而被氧化為CO2、H2O等物質。間接氧化法則是指陽極電極與水反應產生具有強氧化作用的羥基自由基（·OH）活性基團，羥基自由基與有機污染物間發生氧化還原反應，最終將有機污染物氧化為CO2、H2O等物質。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，有機污染物在電極表面的吸附位點增加，從而增加羥基自由基的產量，降解效率提高。構建三維或多孔結構是增加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行混合后，經過高溫高壓處理即可得到金剛石。在此基礎上，通過對石墨碳源和觸媒合金進行滲硼處理或是直接將硼粉與石墨碳源以及觸媒進行機械混合的方式，即可制備出BDD粉體。使用高溫高壓法制備BDD時，金剛石顆粒通常需要在金屬溶劑的環境下析出，導致所制備得到的金剛石往往以微粉的形式存在，需進一步燒結成形才能作為電極材料使用。
2 化學氣相沉積法
化學氣相沉積法（CVD）是將CH4和H2轉變為含碳基團以及原子態氫，使其在基底材料上經過多次的吸附、解析等過程最終形成金剛石薄膜。在使用化學氣相沉積制備金剛石膜的過程中，將氣態硼源作為原料氣體中或是在原料氣體中引入揮發性的液態、固態硼源，從而實現硼元素的直接摻雜，直接在基底上形成BDD薄膜。化學氣相沉積法所制備得到的BDD膜性能穩定，硼原子的摻雜濃度可控。同時，化學氣相沉積技術所制備得到的BDD膜可直接作為膜電極使用。常見的化學氣相沉積法包括熱絲化學氣相沉積法（HFCVD）以及微波等離子體化學氣相沉積法（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，制備具有高反應活性面積的BDD電極材料的方法。模板法的關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，結果發現：隨著比表面積的增加，起始電位和極限擴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）
湖南新鋒科技有限公司在摻硼金剛石電極處理污水領域有著顯著的成果。公司將摻硼金剛石電極技術應用于鋼鐵焦化廢水處理。鋼鐵焦化廢水成分復雜，含有大量的酚類、多環芳烴、氰化物等難降解有機物以及氨氮等污染物。新鋒科技采用的摻硼金剛石電極，利用其電化學高級氧化工藝的優勢，通過直接氧化和間接氧化作用，有效地將廢水中的有機物氧化分解。在實際運行中，鋼鐵焦化廢水中的酚類物質去除率達到了90%以上，大大降低了廢水的毒性和化學需氧量（COD）。
此外，在核工業廢水處理方面，新鋒科技的摻硼金剛石電極也展現出了卓越的性能。核工業廢水含有放射性物質和一些特殊的有機污染物，處理要求極高。摻硼金剛石電極在處理過程中，穩定發揮其高電化學勢窗寬和強氧化能力的特點，不僅能分解廢水中的有機污染物，還能對放射性物質進行一定程度的處理，降低其對環境的危害。例如，對于廢水中的某些特定有機配體，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一步處理的標準。
參考來源：
王博等：基于摻硼金剛石電極的工業廢水處理研究進展
李蓮蓮等：高性能摻硼金剛石電極的研究進展
長沙晚報：玩轉金剛石，搞定“治污活”
（中國粉體網編輯整理/留白）
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