【论文链接】
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158204
【作者单位】
台湾大学等
【论文摘要】
由于钴螯合物的结构稳定性和高溶解度，其在半导体制造中的日益增加对废水处理提出了重大挑战。这些金属-配体络合物的有效去络合对于减轻重金属污染和实现资源回收至关重要。本研究使用TiO2包封的带电碳膜研究了乙二胺四乙酸钴（Co-EDTA）配合物的（光）电化学去络合，重点研究了钴的回收。与单独的电化学氧化相比，具有365 nm UV-LED照明的光电化学（PEC）系统表现出更好的性能，在20分钟内实现了90%以上的EDTA-Na2去除，在180分钟内实现约50%的Co-EDTA分解。动力学分析证实了PEC条件下反应速率的提高，并且在不同的施加电压和电解质浓度以及现实世界的半导体废水中验证了系统的稳定性。机理研究表明，PEC过程是由羟基自由基（•OH）的产生驱动的，羟基自由基是通过光诱导电子空穴对与TiO2膜上的表面羟基相互作用形成的。这些自由基有助于逐步去络合，分解Co-EDTA络合物并释放钴离子。这项工作强调了基于TiO2带电膜的光电化学系统在高效去络合和钴回收方面的潜力，为废水处理和资源回收提供了可持续的解决方案。
【实验方法】
TiO2包覆带电碳膜（TiO2ECM）的制备：
TiO2包覆带电碳膜的制备过程包括三个关键步骤：静电纺丝、碳化和活化。最初，将Degussa P25 TiO2粉末均匀分散在静电纺丝前体溶液中，并进行8小时的静电纺丝以制备TiO2静电纺丝纤维。所得TiO2纤维垫在800℃下碳化2小时，形成石墨状结构，从而增强其导电性。随后，在850℃的CO2气氛中进行活化过程，以增加TiO2包封膜的孔隙率和表面积。所得材料被称为TiO2ECM，并进行全面的结构和电化学表征。
光电化学系统实验装置：
所有实验均在定制设计的（光）电化学反应器中进行，该反应器具有365 nm UV-LED光源，如图1a所示。该配置涉及将TiO2封装的带电碳膜定位为流通阳极，活性炭布（ACC）用作阴极。在三电极系统中，Ag/AgCl被用作参比电极。施加到电极的电势通过恒电位仪控制，而UV-LED光由Squidstat-Solo供电。为了尽量减少实验过程中环境光的影响，反应器被封闭在一个屏蔽箱内。使用总溶液体积为42mL。钴络合物废水的流入进入系统，以5mL/min的恒定流速以半单程流动操作通过带电膜。阳极和阴极之间的距离被确定为1cm。
【图文摘取】
【主要结论】
本研究强调了TiO2包封的带电碳膜在实现钴络合物的（光）电化学去络合同时提高废水中钴回收率方面的潜力。通过将UV-LED照明与电化学处理相结合，光电化学（PEC）系统表现出卓越的性能，与单独的EC处理相比，其降解速率更快，钴回收率更高。阳极电压为1.2 V，阴极电压为-1V，实现了最佳修复，展示了系统的高效和稳定性。在不同的Na2SO4电解质浓度下能保持较高的性能，始终提供高的去络合效率。此外，该技术在处理含钴化学机械平面化（CMP）半导体废水方面得到了验证，这是一个具有挑战性和环境相关性的场景。XPS分析表明钴被成功回收，该点可由处理后的阴极上有Co 2p峰证明。此外，TiO2碳膜上羟基的存在突显了羟基在分解Co-EDTA复合物中的关键作用。这种创新的PEC系统与TiO2带电碳膜相结合，不仅提高了钴的回收率，还为降解半导体废水中的金属有机螯合物提供了一种可持续有效的解决方案。这项工作为推进PEC系统应对关键的环境和工业挑战奠定了基础。
