《Journal of the Indian Chemical Society》：Electrochemical activation of persulfate for dye wastewater treatment: A case study on Acid Red 18 removal using iron electrodes and RSM optimization
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电化学活化过硫酸盐法（EC-PS）高效去除酸性红18（AR18），响应面法优化pH 3、电压6V、过硫酸盐0.17g/L、反应时间50分钟及初始浓度20mg/L时去除率达100%。动力学符合伪一级模型（R2=0.9503），硫酸自由基主导降解，COD去除76%，能耗低且无二次污染，适用于难降解有机废水处理。
尤瑟夫·拉什特巴里（Yousef Rashtbari）|阿里·萨利米法德（Ali Salimifard）|S·艾哈迈德·莫赫塔里（S. Ahmad Mokhtari）|索马耶·阿里扎德（Somayyeh Alizadeh）|玛丽亚姆·海达里（Maryam Heydari）|尤瑟夫·普雷什格（Yousef Poureshgh）|法尔沙德·巴赫拉米·阿斯尔（Farshad Bahrami Asl）
伊朗阿尔达比勒医科大学（Ardabil University of Medical Sciences）学生研究委员会
摘要
酸性红18（AR18）是一种持久且有毒的偶氮染料，对环境和人类健康构成威胁，因此从其工业废水中去除它是一个重大挑战。本研究探讨了使用铁电极进行电化学激活过硫酸盐氧化（EC-PS工艺）去除水溶液中AR18的有效性。为了优化操作参数，采用了Box-Behnken设计（BBD）的响应面方法（RSM），研究了初始pH值、施加电压、过硫酸盐剂量、反应时间和初始染料浓度的影响。结果表明，在pH 3、6V、0.17g/L、50分钟和20 mg/L的条件下，去除效率最高。在这些最佳条件下，该工艺实现了100%的去除率。通过对实验结果进行方差分析，选择了二阶动力学模型（相关系数R2 = 0.9548和R2adj = 0.9187）来估算EC-PS工艺的染料去除效果。AR18的氧化过程遵循伪一级动力学模型（R2 = 0.9503），在最佳条件下化学需氧量（COD）的去除率为76%。尽管电流密度增加，但EC-PS工艺在最佳条件下的电能消耗较低（0.006 kWh m?3）。主要的去除机制是通过形成高活性的硫酸根和羟基自由基，从而导致染料结构降解和污染物浓度显著降低。这种方法不仅高效且产生的污泥少，而且经济可行；因此，它在处理含有顽固染料和有机污染物的工业废水方面具有巨大潜力。
引言
大量的有机和无机污染物（如染料）也严重污染了我们的环境。染料被广泛应用于纺织、造纸、皮革、制药甚至化妆品等行业。另一方面，目前使用的所有染料（包括天然染料）都是通过化学方法制造的。据估计，每年生产的商业染料品种超过1万种，总量超过700万吨。由于价格低廉、溶解度高、稳定性好以及含有一个或多个N-N键，偶氮染料在工业应用中最为流行。如果未经处理，这些行业产生的含色化合物会导致各种形式的环境污染。酸性红18（AR18）就是其中一种染料。AR18（Ponceau 4R和Cochineal Red）的化学式为C??H??N?Na?O??S?，分子量为604.47 g/mol。其分子结构包含两个通过偶氮键（-N=N-）连接的芳香单元。AR18分子还含有三个磺酸基团（-SO??）和一个羟基（-OH?），这些基团与醚基一起提高了化合物的水溶性和颜色。由于这些特性，AR18具有较高的着色能力。
工业废水中的染料排放会导致水体富营养化，破坏生态平衡，并引起水资源的化学变化。水体中染料的存在还会减少光照量，从而阻碍光合作用，影响水生生态系统的正常运作。染料可能引发过敏反应，并且通常具有毒性和致癌性，对人类健康构成风险。接触偶氮染料可能导致心血管休克、癌症、突变、畸形、呕吐、胃肠道不适和腹泻。世界卫生组织（WHO）和联合国粮食及农业组织（FAO）规定AR18的每日摄入量应低于4.0 mg/kg。
合成染料在环境中具有抗性和不可降解性，因此专注于这些物质的去除过程至关重要。传统的处理技术对于从有色废水中去除染料效果不佳。已经探索了多种去除水环境中染料的方法，包括物理化学技术、光催化过程、混凝和絮凝、生物方法、电化学方法和高级氧化过程（AOPs）。其中，AOPs方法因其高效性和处理后废水中的无毒残留物（二次污染）而受到青睐。氧化反应涉及将一个或多个电子从目标化学物质转移到另一种称为氧化剂的物质上。AOPs中去除污染物的过程依赖于高氧化性的羟基自由基的生成，这些自由基可以矿化多种有机化合物。这种自由基具有高度反应性和不稳定性，可通过化学或光化学反应原位生成。AOPs是一些最重要的技术，其中形成了非常强大的氧化剂，主要是羟基和硫酸根自由基。这些氧化剂能够有效去除不同废水中的多种有机污染物。基于羟基自由基（OH?）的AOPs虽然具有高反应速率和1.89–2.72 V的氧化还原电位以及非选择性，但由于生成的自由基的不稳定性而存在局限性。因此，人们开发了利用硫酸根自由基（SO??）的另一种AOP类型，其半衰期比OH?更长。过硫酸盐（S?O?2?）是一种强氧化剂，氧化还原电位为2.01 V，常用于基于硫酸根自由基的AOPs中，具有室温下稳定性高、氧化还原电位高（2.5–3.1 V）、成本相对较低以及产生较少有害副产物的优点。有多种方法可以生成硫酸根自由基（如过硫酸盐（PS）的活化方法，包括热处理、光照、紫外线、金属离子、微波和天然矿物材料。最近，由于电化学方法在生成较少污泥方面的优势，已被广泛应用于过硫酸盐活化研究，从而减少了反应器体积和初始成本。
最近，基于过硫酸盐活化的三维电化学（TDE）技术和混合系统在去除水环境中持久性污染物方面取得了显著进展。例如，采用纳米结构AgCuFe?O?@GO/MnO?电极的三维电化学过程在降解顽固抗生素（如头孢曲松和头孢克肟）方面表现出优异效率。类似地，利用磁性AgCoFe?O?@Ch/AC电极的方法也有效降解了厌氧药物（如甲硝唑），并精确阐明了界面反应机制。这些发展在关于三维电化学过程用于去除药物污染物的综述中得到了进一步探讨。此外，在去除偶氮染料方面，Fe/活性炭/超声波微电解系统等创新策略已被证明对AR18的有效性，表明物理和电化学技术的结合可以显著提高反应动力学和过程效率。基于纳米催化剂（如CoFe?O?@AC）的三维电化学系统也成功应用于从钢铁厂废水中去除有毒化合物，展示了该技术在处理复杂工业废水方面的能力。总体而言，这些发现表明，在电化学系统中整合活性电极、纳米材料和先进氧化剂（无论是二维还是三维）可以成为应对持久性污染物（包括AR18等工业染料）的有效且灵活的策略。尽管之前已有关于基于硫酸根自由基的AOPs的研究，但在优化电化学活化的操作参数方面仍存在挑战。因此，研究pH值、过硫酸盐剂量、反应时间、施加电压和初始染料浓度等因素对降解效率的影响非常重要。本研究旨在评估使用铁电极进行电化学激活过硫酸盐氧化方法去除水环境中持久性偶氮染料AR18的有效性。
实验设计
本实验研究了使用铁电极电化学激活的过硫酸盐（PS）工艺的有效性
初始pH值对去除效率的影响
pH值是影响污染物去除的关键因素之一。本研究中检测的pH范围为3至11。图2（A、B、C和D）显示了pH值对去除效率的影响。根据图表，随着pH值从酸性向碱性变化，AR18的去除效率降低。换句话说，在酸性条件下去除AR18的效果更好。
结论
研究发现，使用电化学氧化方法和过硫酸盐及铁电极可以有效地从水中去除AR18染料。研究发现，起始pH值、电压、过硫酸盐用量和反应时间是影响染料去除的关键因素。最佳去除效果出现在更酸性的水中（pH = 3）。其他关键条件包括施加6伏电压、每升使用0.17克过硫酸盐、反应时间为50分钟，以及初始染料浓度为20 mg/L。
CRediT作者贡献声明
玛丽亚姆·海达里（Maryam Heydari）：资源准备、方法论设计、数据管理。索马耶·阿里扎德（Somayyeh Alizadeh）：资源准备、方法论设计、数据管理。尤瑟夫·拉什特巴里（Yousef Rashtbari）：实验研究、数据分析。S·艾哈迈德·莫赫塔里（S. Ahmad Mokhtari）：撰写、审稿与编辑、概念构建。阿里·萨利米法德（Ali Salimifard）：撰写、初稿编写、实验研究、数据分析。法尔沙德·巴赫拉米·阿斯尔（Farshad Bahrami Asl）：撰写、审稿与编辑、监督、概念构建。尤瑟夫·普雷什格（Yousef Poureshgh）：撰写、审稿与编辑、监督、概念构建
数据获取
本研究的数据可通过通讯作者获取。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
资助
本项目的预算由阿尔达比勒医科大学研究委员会提供。
利益冲突声明
本文作者声明没有利益冲突。
致谢
阿尔达比勒医科大学学生研究委员会为本研究提供了财务支持（IR.ARUMS.REC.1398.337）。我们借此机会感谢研究副校长和研究委员会主任的辛勤工作。
