利用铁渣废弃物开发用于降解医院废水中头孢曲松的电Fenton催化剂：重复使用性和浸出测试

《Results in Chemistry》：Development of an electro-Fenton catalyst from iron slag waste for degrading ceftriaxone in hospital wastewater: Reusability and leaching tests

　　本研究利用废铁渣作为低成本异质催化剂，在电化学Fenton（EF）过程中有效降解了合成和实际医院废水中的头孢曲松。在合成废水中，铁渣催化剂降解效率达90%，优于硫酸亚铁（80.1%）。实际废水中降解效率为71.7%，虽低于合成水，但表明其可行性。铁渣具有高比表面积（533.9 m2/g）、稳定铁氧化物相（FeO、Fe?O?）和低金属泄漏（2.66 mg/L），可重复使用5次后活性仍保持73.2%。该技术通过产生活性氧物种（•OH）降解抗生素，电极材料（Ir/TiO?优于不锈钢）和废水基质显著影响效率。研究为工业废渣资源化及抗生素污染治理提供了新方案。

　　
本研究聚焦于利用工业废渣铁渣作为电芬顿（EF）工艺的异质催化剂，探讨其在降解医院废水中头孢曲松（一种β-内酰胺类抗生素）的效能、稳定性和环境友好性。研究结合材料表征、实验室模拟与实际废水处理，揭示了铁渣在复杂环境中的潜在应用价值。

### 研究背景与意义
头孢曲松作为广泛使用的抗生素，其β-内酰胺环结构在环境中极难降解，易通过水解产生耐药基因传播。传统处理方法如吸附或生物降解对这类抗生素无效，而高级氧化工艺（AOPs）因能直接氧化分解抗生素分子备受关注。电芬顿（EF）工艺通过电化学还原生成过氧化氢（H?O?），再与Fe2?形成羟基自由基（•OH）实现高效降解，但其依赖的均相催化剂FeSO?存在成本高、易造成二次污染等问题。本研究首次将电弧炉炼钢副产物铁渣作为异质催化剂，在实验室和实际医院废水中验证其可行性。

### 材料与方法
1. **催化剂制备**
铁渣经1000℃高温煅烧后形成多孔结构，表面含FeO、Fe?O?等活性铁氧化物。XRD分析显示其结晶度达93.6%，XRF检测到铁含量高达45%，TGA证实其热稳定性优于常规催化剂。

2. **实验设计**
- **模拟废水**：以纯水配制含头孢曲松（初始浓度1.9g/L）的溶液，pH5，电流密度1.5A/L。
- **实际废水**：采集埃塞俄比亚Tirunesh Beijing综合医院的废水，检测COD（138.68mg/L）、TOC（180mg/L）及重金属含量（Pb0.113mg/L，Cr0.078mg/L）。
- **电极对比**：采用铱钛氧化物（Ir/TiO?）和不锈钢电极，前者因高电催化活性在实验中表现更优。

3. **表征技术**
通过SEM观察铁渣表面多孔结构（孔隙率65.5%），BET分析测得比表面积533.9m2/g，pH零电荷点（PZC）为6.9，表明其表面电荷特性与pH依赖性。

### 关键研究结果
1. **降解效率对比**
- **模拟废水**：铁渣催化剂在Ir/TiO?电极下实现90.03%降解，优于FeSO?（80.07%）。不锈钢电极下铁渣效率（66.4%）仍显著高于FeSO?（54.06%）。
- **实际废水**：受基质复杂影响，降解效率降低约30%，但铁渣仍达71.7%。Ir/TiO?电极组合在真实场景中表现最优（84.9%），与模拟废水差距较小。

2. **重复使用性与稳定性**
铁渣催化剂经5次循环后活性保持73.2%，降解效率从首周期的73.1%降至第五周期的64.5%。每次使用后铁溶出量仅2.2-2.3mg/L，证明其化学稳定性优于传统FeSO?（需单次投加且无法循环）。

3. **电极材料影响**
Ir/TiO?电极因高表面活性（比表面积达500m2/g以上）和高效H?O?生成能力，在两种基质中均优于不锈钢电极。例如，模拟废水中Ir/TiO?/铁渣组合达90%降解，而不锈钢电极仅54%。

4. **降解机制与干扰因素**
- **自由基生成**：EF通过阴极还原O?生成H?O?，在Fe2?催化下分解为•OH和•O??，攻击头孢曲松的β-内酰胺环和硫代羰基。
- **基质干扰**：实际废水中高COD（138.68mg/L）和离子强度（1576μS/cm）导致•OH淬灭，降解效率比模拟废水低18-30%。Fe3?与有机物竞争反应位点，pH偏离PZC（6.9）时活性显著下降。

### 创新性与应用价值
1. **工业废渣资源化**
铁渣作为钢厂副产物，成本低廉且富含活性铁氧化物（FeO、Fe?O?），其多孔结构（孔径2.65nm）利于污染物扩散与自由基接触，实现环境友好型催化剂制备。

2. **环境友好性**
铁渣催化剂的溶出铁量（<2.3mg/L）远低于FeSO?（单次投加后溶出量可达初始浓度），且无污泥产生，符合循环经济原则。其热稳定性（800℃不降解）适合高温预处理场景。

3. **工程适用性**
研究证实催化剂性能与电极选择、废水基质密切相关。Ir/TiO?电极在复杂基质中仍保持80%以上降解率，为医院废水处理设备选型提供依据。此外，铁渣的循环使用特性（5次循环后活性保留73%）显著降低运营成本。

### 局限性与改进方向
1. **实际应用挑战**
- 基质复杂度导致降解效率下降，需优化电极设计（如增加电极表面积）或预处理（如调节pH至5.0）。
- 铁渣表面可能形成有机/无机层膜（TGA显示150-547℃有1.2%质量损失），建议通过酸洗（H?SO?浓度0.1M）或煅烧再生。

2. **长期监测需求**
研究未评估铁渣在连续运行中的性能衰减，需进行300次循环以上测试。同时，未检测副产物毒性（如亚硝酸盐生成），建议补充LC-MS和毒性生物测试。

3. **规模化障碍**
实验规模为400mL，需验证200L以上反应器中的传质限制。此外，铁渣颗粒尺寸（<100μm）可能影响反应器流态，需优化粒径分布。

### 结论
铁渣作为电芬顿工艺的异质催化剂，在模拟和真实废水中均表现出成本效益优势：
- **效能**：在最佳条件（pH5，催化剂投加1.9g/L）下，模拟废水降解率达90%，实际废水达71.7%。
- **稳定性**：5次循环后活性保留73.2%，溶出铁量<2.5mg/L，满足WHO饮用水铁限值（3mg/L）。
- **经济性**：单吨铁渣成本约$20（与市售FeSO?$50/t相比），且可循环使用降低长期成本。

该研究为工业固废资源化提供了范例，证实铁渣在抗生素处理中的可行性。未来需开发模块化反应器集成铁渣催化剂，并评估其在不同气候区医院废水中的普适性。