摘 要：采用化學(xué)共沉淀法制備負(fù)載型Fe3O4-MnO2/GAC粒子電極，通過三維電極系統(tǒng)處理甲基橙廢水，探討甲基橙和COD降解的反應(yīng)動力學(xué)，并運用紫外-可見光光譜分析甲基橙的降解機理。結(jié)果表明：降解甲基橙和COD反應(yīng)均為一級反應(yīng)，粒子投加量為50g·L-1，溶液pH為7，溶液溫度為45℃時反應(yīng)速率常數(shù)最大，降解甲基橙和COD的反應(yīng)活化能分別為3.4442×104J·mol-1和1.5299×104J·mol-1。此外，根據(jù)紫外-可見光光譜推測甲基橙降解機理為偶氮式降解，強氧化物與甲基橙接觸首先破壞發(fā)色基團，并且破壞偶氮鍵分解為多種芳香類物質(zhì)；接著·OH進(jìn)一步攻擊苯環(huán)大π鍵，生成苯酚、對苯二酚等中間產(chǎn)物，最終被礦化為CO2和H2O。

關(guān) 鍵 詞：三維電極；甲基橙；COD；動力學(xué)

中圖分類號：X791；TQ613.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-1173-08

印染廢水具有水量大、色度高、組分復(fù)雜、水質(zhì)變化大等特征，在排放前必須進(jìn)行工程預(yù)處理[1]。此外，印染廢水具有色澤深的特征，對受納水體外觀也造成了不良的影響[2]。甲基橙是一種廣泛應(yīng)用于印染紡織的偶氮活性染料，傳統(tǒng)的物理法、化學(xué)法、生物法均難以對偶氮廢水進(jìn)行有效處理。三維電極作為一種電催化氧化技術(shù)具有氧化性能好、操作靈活、占地面積小等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種具有良好應(yīng)用前景的處理高濃度有機廢水的方法。該技術(shù)是將粒子電極利用電場作用成為復(fù)極性粒子，粒子與粒子之間形成許多的微電解池，通過在粒子電極表面直接氧化分解以及利用生成的強氧化劑間接將有機污染物分解礦化[3]。然而，傳統(tǒng)的粒子電極在重復(fù)使用效果不理想、能耗高以及選擇性小[4]，成為阻礙三維電極應(yīng)用的關(guān)鍵問題。徐斌[5]等制備了Fe3O4負(fù)載的氧化石墨烯粒子電極降解甲基橙。研究發(fā)現(xiàn)，在初始pH=5，粒子電極投加量3g·L-1，反應(yīng)時間90min，電流密度30mA·cm-2，外加電壓 7V 的反應(yīng)條件下，SGF 粒子電極體系的甲基橙色度和 COD 去除率分別是98.8%和87.5%。張?zhí)礓縖6]采用浸漬焙燒法制備負(fù)載SnO2的氧化鋁粒子電極，對甲基橙廢水處理，實驗結(jié)果表明在電解時間60min，電解電壓6V，pH=7.2，電解質(zhì)投加量為1g·L-1，粒子電極投加量120g，曝氣量200mL·min-1的條件下，甲基橙和COD去除率分別可以達(dá)到最高值，甲基橙去除率為82.27%，COD去除率為61.77%。莫再勇[7]等人制備鉻、鐵二元修飾的活性炭粒子電極處理甲基橙廢水，研究表明在工作電壓15V、空氣流量0.2 L·min-1、pH為5、處理時間為30min時，脫色率可達(dá)到94.31%。

前言目前對于三維電極處理甲基橙廢水的動力學(xué)和降解機理研究較少，本研究采用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4-MnO2/GAC粒子電極，應(yīng)用于三維電極體系處理甲基橙廢水，分析甲基橙和COD降解的動力學(xué)規(guī)律，推測降解機理與歷程，為三維電極的實際應(yīng)用提供初步理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料、試劑與儀器

活性炭由河南平頂山綠之原活性炭有限公司生產(chǎn)。

實驗藥劑：甲基橙、鄰苯二甲酸氫鉀、鉬酸銨、無水Na2SO4、AgSO4、HgSO4、Fecl3·6H2O、Fecl2·4H2O、KMnO4、NaOH均為分析純；H2SO4、K2Cr2O7均為優(yōu)級純；H2O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%。

實驗儀器：UV-1810紫外可見分光光度計：上海佑科儀器儀表有限公司；FA1204B電子天平：上海佑科儀器儀表有限公司；101-1鼓風(fēng)干燥箱：紹興市上虞區(qū)誠尚儀器有限公司；JJ-1型電動攪拌器：常州市江南實驗儀表廠；LZB-3WB轉(zhuǎn)子流量計：常州科德精密機械制造有限公司；ACO-001電磁式空氣泵：深圳市興日生實業(yè)有限公司；PHS-2FpH計：上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司。

1.2 實驗裝置

實驗裝置由陰極、陽極、穩(wěn)壓直流電源、曝氣頭、轉(zhuǎn)子流量計、實驗氣泵等組成，如圖1所示。

裝置采用立方體反應(yīng)器155mm×125mm×155mm（長×寬×高），有效容積1000mL，材質(zhì)為有機玻璃，水樣以及藥劑可以從上部投加，陰極采用石墨板，陽極采用Ti，規(guī)格均為150mm×120mm×

3mm。反應(yīng)器底部有曝氣裝置，利用轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量，用以調(diào)節(jié)反應(yīng)內(nèi)部的曝氣，并起到充分?jǐn)嚢璧淖饔?，從而使甲基橙廢水得到充分處理。

1.3 粒子電極制備

正文粒子電極制備運用化學(xué)共沉淀法將Fe3O4-MnO2負(fù)載于顆粒狀活性炭。

首先將3mm柱狀活性炭顆粒用去離子水清洗數(shù)次后依次用稀酸、稀堿溶液浸泡30min，過濾后用去離子水洗至中性，然后將活性炭置于超聲水浴鍋中處理30min，于105℃下干燥12h備用。

稱取89.55gFeCl2·4H2O溶解于100mL蒸餾水中完全溶解，后加入0.18L濃度為5mol·L-1的氫氧化鈉（NaOH），放入50℃水浴鍋中，持續(xù)機械攪拌，使生成的藍(lán)色絮狀物分布均勻，然后緩慢加入0.3L濃度為0.5mol·L-1的KMnO4持續(xù)機械攪拌，加入9.375mL濃度為8mol·L-1的H2O2，當(dāng)燒杯中的液體物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化成黑色混合液時，加入15.95g預(yù)處理的活性炭顆粒，持續(xù)機械攪拌2h，靜置沉淀后除去上清液，將剩下的混合液放入鼓風(fēng)干燥箱中烘干，溫度調(diào)節(jié)為105℃，烘干12h，取出烘干后的材料反復(fù)洗滌，最終達(dá)到上清液為中性為止，除去上清液，繼續(xù)烘干后放入瓶內(nèi)密封保存即可。

1.4分析方法

1.4.1 甲基橙測定方法

采用紫外-可見分光光度法[8]在甲基橙pH為1的狀態(tài)下可見光最大吸收波長為460nm，計算得到其不同時間的濃度。

1.4.2COD測定方法

COD的測定采用快速密閉催化消解法。當(dāng)COD大于50mg·L-1，將波長為600nm的吸光度值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線可計算得到COD質(zhì)量濃度。當(dāng)COD大于50mg·L-1，將波長為440nm的吸光度值代入標(biāo)準(zhǔn)曲線可計算得到COD質(zhì)量濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 動力學(xué)方程擬合

在甲基橙溶液濃度100mg·L-1，極板間距為6cm，外加電壓為10.12V、曝氣量為313mL·min-1、電解質(zhì)投加量為3.195g·L-1，初始pH為7，粒子電極投加量50g·L-1，溶液溫度為25℃，進(jìn)行實驗。一次實驗連續(xù)進(jìn)行2h，每20min取一次樣。

2.1.1 降解甲基橙動力學(xué)擬合

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論。假定Fe3O4-MnO2/GAC對甲基橙的降解反應(yīng)屬于零級反應(yīng)，則CA-t呈直線關(guān)系（圖2（a）），回歸方程為y=-0.6997x+68.797，R2=0.7876。

假定Fe3O4-MnO2/GAC對甲基橙的降解反應(yīng)屬于一級反應(yīng)，則ln（CA）-t呈直線關(guān)系（圖2（b）），回歸方程為y=-0.0398x+4.7159，R2=0.9887。

假定Fe3O4-MnO2/GAC對甲基橙的降解反應(yīng)屬于二級反應(yīng)，則1/（CA）-t呈直線關(guān)系（圖2（c）），回歸方程為y=0.009 4x-0.247 6，R2=0.611 3。

2.1.2 降解COD動力學(xué)擬合

根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)理論。假定Fe3O4-MnO2/GAC對COD的降解反應(yīng)屬于零級反應(yīng)，則CA-t呈直線關(guān)系（圖3（a）），回歸方程為y=-0.681x+85.73，R2=0.8691。

假定Fe3O4-MnO2/GAC對COD的降解反應(yīng)屬于一級反應(yīng)，則ln（CA）-t呈直線關(guān)系（圖3（b）），回歸方程為y=-0.0156x+4.5384，R2=0.9875。

假定Fe3O4-MnO2/GAC對甲基橙的降解反應(yīng)屬于二級反應(yīng)，則1/（CA）-t呈直線關(guān)系（圖3（c）），回歸方程為y=0.000 4x+0.005 7，R2=0.976。

甲基橙降解零級反應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.7876，一級反應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.9887，二級反應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.6113；COD降解零級反應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.8691，一級反應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.9875，二級反應(yīng)相關(guān)系數(shù)為0.976。以及反應(yīng)相關(guān)系數(shù)最大。

在三維電極降解甲基橙過程中，主要是利用電芬頓反應(yīng)生成強氧化物質(zhì)·OH。因此在動力學(xué)研究方面，可忽略直接氧化[9]。甲基橙（R）被強氧化物質(zhì)·OH氧化，獲得氧化產(chǎn)物（P）：

R+·OH→P

反應(yīng)速率方程為：

式中：c（R）—甲基橙的濃度；

c（·OH）—·OH的濃度；

c（P）—氧化產(chǎn)物的濃度；

k—反應(yīng)的速率常數(shù)；

t—反應(yīng)時間。

在一定的電化學(xué)體系里如果認(rèn)為·OH達(dá)到了穩(wěn)定濃度，則認(rèn)為·OH濃度為一常數(shù)[10]。

在整個反應(yīng)過程中反應(yīng)條件保持不變，即排除其他條件對反應(yīng)速率的影響，F(xiàn)e3O4-MnO2/GAC粒子電極對甲基橙和COD的降解反應(yīng)為一級反應(yīng)。

2.2 粒子電極投加量

在甲基橙溶液質(zhì)量濃度100mg·L-1，極板間距為6cm，外加電壓為10.12V、曝氣量為313mL·min-1、電解質(zhì)投加量為3.195g·L-1，初始pH為7，溶液溫度為25℃，改變粒子電極投加量，進(jìn)行實驗。一次實驗連續(xù)進(jìn)行2h，每20min取一次樣。

2.2.1 甲基橙降解反應(yīng)速率

由圖4和表1可見，ln（CA）與t存在良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.98以上。隨著粒子電極投加量的增加，甲基橙降解反應(yīng)速率常數(shù)k不斷增大，當(dāng)粒子電極投加量達(dá)到50g·L-1，反應(yīng)速率常數(shù)k最大可達(dá)到0.0344。

2.2.2 COD降解反應(yīng)速率

由圖5和表2可見，ln（CA）與t存在良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.97以上。

隨著粒子電極投加量的增加，COD降解反應(yīng)速率常數(shù)k不斷增大，當(dāng)粒子電極投加量達(dá)到50 g·L-1，反應(yīng)速率常數(shù)k最大可達(dá)到0.015 6。

粒子電極作為三維電極中最重要的部分，合適的粒子電極投加量可以增加污染物質(zhì)與電極的接觸面積[11]，從而提高反應(yīng)效率。隨著粒子電極投加量增大，反應(yīng)過程中處置距離減小，從而使得傳質(zhì)效率升高[12]。并且隨著粒子電極投加量增大鐵、錳金屬氧化物增多，從而促進(jìn)電芬頓反應(yīng)進(jìn)行，使得甲基橙和COD降解反應(yīng)速率增大。

2.3 溶液pH對反應(yīng)速率的影響

在甲基橙溶液濃度100mg·L-1，極板間距為6cm，外加電壓為10.12V、曝氣量為313mL·min-1、電解質(zhì)投加量為3.195g·L-1，溶液溫度為25℃，粒子電極投加量為50g·L-1，改變甲基橙溶液pH，進(jìn)行實驗。一次實驗連續(xù)進(jìn)行2h，每20min取一次樣。

2.3.1 甲基橙降解反應(yīng)速率

由圖6和表3可見，ln（CA）與t存在良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.98以上。隨著溶液pH的增加，甲基橙降解反應(yīng)速率常數(shù)k呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)甲基橙溶液pH達(dá)到7，反應(yīng)速率常數(shù)k最大可達(dá)到0.0344。

2.3.2 COD降解反應(yīng)速率

由圖7和表4可見，ln（CA）與t存在良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.98以上。隨著溶液pH的增加，COD解反應(yīng)速率常數(shù)k呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)甲基橙溶液pH達(dá)到7，反應(yīng)速率常數(shù)k最大可達(dá)到0.0156。

在所有的電化學(xué)體系中，污染物在酸性條件下帶正電荷，在堿性條件下污染物帶負(fù)電荷[13]，并且pH也影響顆粒電極物質(zhì)的吸附能力[14]。大部分研究表明，三維電極系統(tǒng)處于弱酸性環(huán)境，有機污染物有較好的去除效果[7，15-17]，這是因為O2+2H++2e-=H2O2，H+在溶液中含量高有利于H2O2的生成。由于本實驗的粒子電極中有MnO2存在，根據(jù)Wang[18]等人的研究，由于MnO2的存在，在極化粒子電極的陽極側(cè)發(fā)生H2O和OH-的放電反應(yīng)，產(chǎn)生吸附的羥基自由基：MnO2+H2O→MnO2（·OH ）+H++e-。這樣，即使在中性環(huán)境中，溶液依然能夠產(chǎn)生大量H+，從而生成H2O2和·OH，有效去除甲基橙和COD。

當(dāng)溶液pH過低時，其中含有大量H+，這會導(dǎo)致電解槽中發(fā)生析氫副反應(yīng)：2H++2e-=H2。該反應(yīng)的發(fā)生會降低H2O2生成的活性，抑制了H2O2的生成，從而導(dǎo)致甲基橙和COD降解速率較低。當(dāng)溶液pH大于7時，隨著pH增大，溶液中存在大量OH-，OH-與Fe2+或者Fe3+反應(yīng)會產(chǎn)生絮凝沉淀，覆蓋在離子電極表面，影響粒子電極的復(fù)極性，從而無法生成·OH，進(jìn)而導(dǎo)致甲基橙和COD降解速率下降。因此，將甲基橙溶液初始pH控制在中性環(huán)境中最有利于甲基橙與COD的去除。

2.4 溶液溫度對反應(yīng)速率的影響

在極板間距為6cm，外加電壓為10.12V、曝氣量為313mL·min-1、電解質(zhì)投加量為3.195g·L-1，初始pH為7，甲基橙濃度為100mg·L-1，粒子電極投加量為50g·L-1，改變?nèi)芤簻囟?，進(jìn)行實驗。一次實驗連續(xù)進(jìn)行2h，每20min取一次樣。

2.4.1 甲基橙降解反應(yīng)速率

隨著溫度升高甲基橙降解速率變快，為保證統(tǒng)一，選取第1h的實驗樣本。

由圖8和表5可見，ln（CA）與t存在良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.99以上。隨著體系反應(yīng)溫度升高，底物活度增加，使其參與反應(yīng)的機會增多，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)速率明顯提高。當(dāng)溶液溫度達(dá)到45℃，反應(yīng)速率常數(shù)k最大可達(dá)到0.0827。

由圖9可知，lnk與1/T擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.9787，lnk與1/T有良好的線性關(guān)系，說明反應(yīng)速率常數(shù)與絕對溫度的關(guān)系符合阿倫烏尼斯方程[19]：

式中：k—反應(yīng)速率常數(shù)，min-1；

k0—頻率因子常數(shù)，min-1；

Ea—反應(yīng)活化能，J·mol-1；

R—氣體常數(shù)，8.314 J·mol-1·K-1；

T—絕對溫度，K。

對（1）式取對數(shù)得：

將實驗數(shù)據(jù)帶入（2）式，解得反應(yīng)活化能Ea=3.4442×104J·mol-1，k0=3.5667×104min-1，進(jìn)而得到溫度與甲基橙降解反應(yīng)速率方程為：

2.4.2 COD降解反應(yīng)速率

由圖10和表6可見，ln（CA）與t存在良好線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2可以達(dá)到0.98以上。

隨著體系反應(yīng)溫度升高，底物活度增加，使其參與反應(yīng)的機會增多，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)速率明顯提高。當(dāng)溶液溫度達(dá)到45℃，反應(yīng)速率常數(shù)k最大可達(dá)到0.023。

由圖11可知，lnk與1/T擬合的相關(guān)系數(shù)R2為0.9832，lnk與1/T有良好的線性關(guān)系，說明反應(yīng)速率常數(shù)與絕對溫度的關(guān)系符合阿倫烏尼斯方程，同理將實驗數(shù)據(jù)帶入（2）式，解得反應(yīng)活化能Ea=1.5299×104J·mol-1，k0=7.62min-1，進(jìn)而得到溫度與COD降解反應(yīng)速率方程為：

3 降解機理初探

在極板間距為6cm，外加電壓為10.12V、曝氣量為313mL·min-1、電解質(zhì)投加量為3.195g·L-1，初始pH為7，甲基橙質(zhì)量濃度為100mg·L-1，粒子電極投加量為50g·L-1，溶液溫度為45℃，進(jìn)行實驗。一次實驗連續(xù)進(jìn)行2 h，每30min取一次樣。借助紫外-可見分光光度計在190～600nm 范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。

由圖12可知，在0min時，463nm處出現(xiàn)強吸收峰，這是甲基橙分子中偶氮結(jié)構(gòu)的n-π*躍遷引起的，屬于甲基橙的偶氮鍵特征吸收峰[20]；275nm處的吸收峰是由苯環(huán)共軛體系的π-π*躍遷引起的，屬于甲基橙分子中苯環(huán)的特征吸收峰；203nm處吸收峰由π-π*躍遷和苯環(huán)共振重疊引起的E2吸收帶。隨著降解反應(yīng)進(jìn)行，463nm處吸收峰迅速降低，最后波峰消失，此時甲基橙溶液顏色從橙色，變?yōu)辄S色，最終變?yōu)闊o色，表明甲基橙分子結(jié)構(gòu)中的偶氮鍵被氧化破壞，甲基橙分子中-SO3Na 和-N（CH3）2發(fā)色基團也脫落，使n-π*的躍遷逐漸消失[21]。30min時，463nm處吸收峰很小，說明甲基橙剩余較少；275nm的吸收峰向前推移至250nm處，說明苯系物苯環(huán)上的支鏈在逐漸斷裂。30min之后，463nm處吸收峰幾乎消失，203nm處吸收峰降低幅度很小，60min后基本保持不變，這是由于前期氧化形成中間產(chǎn)物苯環(huán)結(jié)構(gòu)較多且穩(wěn)定，很難被氧化降解[22-23]。

初步推測甲基橙降解途徑如圖13所示。

該三維電極系統(tǒng)為中性，則甲基橙為偶氮式結(jié)構(gòu)。由Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的強氧化性物質(zhì)·OH，強氧化物與甲基橙接觸首先破環(huán)發(fā)色基團，生成偶氮苯和硫酸基苯，并且通過攻擊甲基橙分子中的偶氮鍵。強氧化物攻擊偶氮鍵導(dǎo)致偶氮苯分子從中間斷開，分解為多種芳香類物質(zhì)；接著·OH進(jìn)一步攻擊苯環(huán)大π鍵，生成苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚；然后對苯二酚繼續(xù)反應(yīng)生成苯醌[24]。苯醌會在強氧化物質(zhì)攻擊下，環(huán)被打開降解為乙二酸、丁二酸等物質(zhì)，最終被礦化為CO2和H2O。

4 結(jié) 論

1）對負(fù)載型三維電極降解甲基橙和COD進(jìn)行動力學(xué)分析。結(jié)果表明，甲基橙和COD降解符合一級反應(yīng)動力學(xué)。粒子投加量為50g·L-1，溶液pH為7，溶液溫度為45℃時反應(yīng)速率常數(shù)最大。溫度與甲基橙降解反應(yīng)速率方程為：k=3.5667×104exp（-3.4442×104/（RT））；溫度與甲基橙降解反應(yīng)速率方程為：k=7.62exp（-1.5299×104/（RT））。

2）通過紫外-可見光譜圖可以看出：463nm處吸收峰迅速降低，最后波峰消失，表明甲基橙分子結(jié)構(gòu)中的偶氮鍵被氧化破壞；275nm的吸收峰向前推移至250nm處，說明苯系物苯環(huán)上的支鏈在逐漸斷裂；203nm處吸收峰下降幅度很小，60min后基本保持不變，這是由于前期氧化形成中間產(chǎn)物苯環(huán)結(jié)構(gòu)較多且穩(wěn)定。

3）初步推測反應(yīng)機理：甲基橙降解為偶氮式降解，強氧化物與甲基橙接觸首先破環(huán)發(fā)色基團，并且通過攻擊甲基橙分子中的偶氮鍵導(dǎo)致偶氮苯分子從中間斷開，分解為多種芳香類物質(zhì)；接著·OH進(jìn)一步攻擊苯環(huán)大π鍵，生成苯酚、對苯二酚、鄰苯二酚、苯醌等中間產(chǎn)物，最終被礦化為CO2和H2O。

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