论文DOI：10.1016/j.jclepro.2022.134421
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镍转炉渣（NCS）的高产量和不当处置导致了资源的浪费以及对空气、土壤和地下水的污染，这引起了人们对其环境影响的密切关注。这项工作揭示了NCS 可以作为一种优良的催化剂再利用于非均相电芬顿（hetero-EF）工艺处理纺织印染废水。当NCS与红土的比例为3:2并在900 ℃下煅烧时，NCS-红土多孔陶粒（NLPC）催化剂的活性最高。在最佳操作参数（100 g/L NLPC，4 V电压和初始 pH 3.0）下反应30 min后，亚甲基蓝（MB）去除率和化学需氧量 （COD）去除率分别为98.64%和87.84%。与不加催化剂的电芬顿（EF）系统相比，降解速率常数提高了223.9%（0.0452→1.464 min-1），能耗降低了65.84%（2.02→0.69 kWh m-3）。6个反应循环后，MB去除率仅下降5.35%，NLPC质量损失率为2.04%。Co、Ni、Fe和Cu物种之间协同促进活性氧（ROS）生成是系统主要的催化机制，并推断出两种可能的 MB 降解途径。此外，NLPC催化剂在不同的废水处理中也表现出优异的效果。这项工作展示了有色冶金副产品清洁生产的升级战略。
背景介绍
在电化学高级氧化技术（EAOPs）中，hetero-EF系统将原位产生H2O2的EF系统与多相催化技术相结合，在处理有机废水领域取得了显著的成就。与经典的芬顿技术相比，具有处理成本更低、pH范围更广和抑制铁泥生成等诸多优势。目前常用的合成催化剂的制备路线复杂、成本较高，天然矿物催化剂本身又承担着工程用途。所以，用低成本的原料制备高性能、稳定的催化剂对于大规模应用具有重要的现实意义。
有色金属是保证低碳转型和清洁能源生产不可替代的原材料，其需求量增大的同时也伴随着大量副产物的产生。NCS是镍冶炼过程中产生的典型有色冶金固体废物。NCS 尚未得到有效回收。大多数研究采用传统策略来降低过程的残值，例如优化输入原材料和调整工艺结构。这些策略提高资源效率的贡献是有限的。因此，迫切需要一种新的处置方案来提升有色冶金固废回收利用的价值。例如，开发二次资源循环利用技术是一个很有前景的选择。使用 NCS 制备多相固体催化剂来降解污染物可以帮助有色冶金行业变得更加可持续。越来越多的研究表明，通过在粘土矿物表面负载催化剂可以提高催化剂的表面积和机械强度稳定性。红土是一种含有铁铝氧化物的风化岩石，由于氧化铁而呈赭红色。它在地壳中含量丰富，存在于世界各地，包括亚洲、非洲和拉丁美洲。红土的工业价值低，价格便宜。在新疆，它只用于烧制陶器或在建筑物、道路和其他土木工程中的填沙。因此，红土被进一步用于提高 NCS 中过渡金属的稳定性，以降低二次污染的风险。
本文亮点
1. 将镍转炉渣再利用于制备一种新型的非均相电芬顿催化剂，在较低的能耗下可以高效降解纺织印染废水中的染料。
2. 镍转炉渣所含过渡金属（Co、Ni、Fe、Cu等）之间的协同作用大大加速了活性氧物种的生成速率。
3. NLPC的制备过程简单，在实际应用中可以减少一些预处理措施。只需要粉碎、混合和煅烧。
图文解析
图1（a）NCS的预处理：将NCS破碎成直径≤15 mm的碎片后用95%的乙醇清洗，再经研磨后过35目筛（催化剂最牢固）使用；（b）NLPC的制备过程：将NCS和红土加水混合，再加入3.5% 质量分数的纸浆为造孔剂（高温烧蚀后留下孔隙），纸浆由废纸屑浸泡粉碎后使用，制备成4-6 mm的圆球颗粒，在马弗炉中经室内温度煅烧至400 ℃停留一小时，再煅烧至900 ℃停留一小时，冷却后得到NLPC。（c）反应器示意图：阴极是石墨毡，阳极是DSA电极，催化剂盛在多孔塑料笼中便于回收。
图5 不同系统性能对比（NLPC的引入增强了去除效果，降低了电能消耗）。
图6 NLPC的循环再生性良好，机械强度高，过程中金属离子浸出浓度符合国家标准《城市污水排放水质标准》（GB/T 31962-2015，中国）和《工业钴镍铜污染物排放标准》（GB 25467-2010，中国），不会造成二次污染。
图7 电子顺磁共振结果表明系统中存在1O2 、·OH和·O2−。
图8 进一步的淬灭实验证明了1O2 和·OH在污染物降解过程中的主导作用。
图10 用实际废水作为水基质去除几种常见的染料，并测试NLPC的循环稳定性。
总结与展望
该工作首次验证了利用NCS制备高效非均相芬顿催化剂处理纺织印染废水的可行性，为NCS的回收再利用提供了一条简便的途径。实验结果表明，NLPC具有较高的催化活性，可以在较短的时间（30 min）内有效降解MB。NLPC 在不同的废水处理中也表现出优异的稳定性和可回收性。令人印象深刻的去除性能是由于在NLPC表面的≡CoII /≡CoIII、≡NiII /≡NiIII、≡FeII /≡FeIII和≡CuI /≡CuII氧化还原电对，它们之间的协同反应可以加速氧化还原循环，促进1O2 、·OH和·O2−的生成。面对日益严格的废水排放标准，单一的处理工艺无法达到令人满意的水平。可以考虑将 NLPC 非均相电芬顿系统与其他生物、物理或化学技术相结合，用于真实废水处理。在未来的工作中，细菌在实际废水中的存活和催化剂的生物相容性还需要进一步研究。固体废弃物造成的资源浪费给有色冶金企业带来了巨大的成本压力。大量有色冶金固体废物造成的污染，环境自净能力过大。将有色冶金固体废物作为催化剂进行水处理，废物中的金属资源可得到充分利用，还可以克服传统芬顿工艺造成的铁泥污染问题。该解决方案能带来可观的经济效益和环境效益，促进有色冶金行业的绿色可持续发展。
作者介绍
苗凌轲，硕士研究生，现就读于石河子大学水利建筑工程学院，研究方向为电化学高价氧化技术。
李俊峰，石河子大学教授、博士生导师，国家海外高层次人才引进计划获得者，2015年3月获得（日本国立）静冈大学环境与能源系统专业理学博士学位，同年获得静冈大学环境学硕士。现主要从事干旱区水环境与水生态评价、农业水土环境治理与修复等方面的教学与研究工作。近年来，以第一/通讯作者在Carbohydrate Polymers、Separation and Purification Technology、Applied Surface Science等SCI期刊上发表论文60余篇，授权专利19项（其中发明3项，实用新型16项）。
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