第一作者：王昕宇

通訊作者：馬杰、于飛

通訊單位：同濟(jì)大學(xué)、喀什大學(xué)

論文DOI：10.1016/j.jclepro.2025.147012

研究背景

隨著制藥、石化等工業(yè)的快速發(fā)展，高鹽有機(jī)廢水排放量逐年增加，這類廢水通常含有抗生素、酚類等有害有機(jī)物，鹽分濃度約1.5 wt%以上，給傳統(tǒng)水處理技術(shù)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有生物處理法需長時(shí)間馴化菌種，且高鹽環(huán)境會(huì)抑制微生物活性；膜蒸餾等技術(shù)雖可實(shí)現(xiàn)鹽分回收，但有機(jī)物易導(dǎo)致膜污染，影響運(yùn)行效率。因此，發(fā)展一種能夠抵抗高鹽度的有機(jī)物分離技術(shù)成為當(dāng)前研究的重要方向。電增強(qiáng)吸附技術(shù)因其操作靈活、能耗較低而受到關(guān)注，但在高鹽條件下，無機(jī)離子與有機(jī)物之間的競爭吸附嚴(yán)重制約其效果，陽極腐蝕與離子干擾等問題也限制了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。為此，本研究提出一種基于“短板效應(yīng)”的單陰極電增強(qiáng)吸附策略，旨在通過電極結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高鹽環(huán)境下有機(jī)污染物的高效去除與吸附劑的原位再生。

內(nèi)容簡介

本研究構(gòu)建了一種三維孤立單陰極顆粒電極系統(tǒng)，以磺胺甲惡唑（SMZ）為目標(biāo)污染物，系統(tǒng)探究了在高鹽條件下電增強(qiáng)吸附的性能與機(jī)制。通過對(duì)比物理吸附、傳統(tǒng)雙電極電吸附、孤立單陽極及孤立單陰極四種操作模式，孤立單陰極系統(tǒng)在鹽度低于1.5 wt%時(shí)可實(shí)現(xiàn)約95%的SMZ去除率，且平衡吸附容量達(dá)18.43 mg/g，能耗僅為0.01 kWh/m3，較傳統(tǒng)電吸附降低約40倍。該系統(tǒng)的優(yōu)勢源于其巧妙利用“短板效應(yīng)”，即通過空置陽極限制無機(jī)離子的吸附，形成不對(duì)稱電場，促進(jìn)SMZ在陰極表面的富集。高鹽環(huán)境下的鹽析效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)了有機(jī)物向孔道的分配。此外，系統(tǒng)通過陰極氧還原反應(yīng)原位生成過氧化氫及其衍生活性氧物種，實(shí)現(xiàn)了吸附劑的電化學(xué)再生，延長材料的使用壽命。

圖文導(dǎo)讀

圖1展示了本研究構(gòu)建的四種吸附模式結(jié)構(gòu)及其性能對(duì)比。通過對(duì)比物理吸附、傳統(tǒng)雙電極電吸附、孤立單陽極與孤立單陰極四種模式，研究發(fā)現(xiàn)孤立單陰極系統(tǒng)在鹽度低于1.5 wt%時(shí)對(duì)磺胺甲惡唑的去除率可達(dá)95%以上，且能耗僅為0.01 kWh/m3。該圖還顯示，隨著鹽度升高，系統(tǒng)的脫鹽能力被有意抑制，進(jìn)一步印證了“短板效應(yīng)”在緩解離子競爭中的作用。同時(shí)，系統(tǒng)在不同pH條件下仍能保持穩(wěn)定的吸附性能，說明其具備較寬的適用性。

圖1所示。(a)隔離式單陰極反應(yīng)器和不同吸附模式的結(jié)構(gòu)示意圖(每種過濾模式均施加1 V電壓，進(jìn)料溶液含100 mg/L SMX和高NaCl濃度（0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%）。在每種模式上面的原理圖中，橙色和綠色層分別代表供電陰極和陽極，藍(lán)色箭頭表示流動(dòng)方向)；(b)不同模式下SMX的去除率；(c)模式一、模式二、模式三、模式四的脫鹽能力比較(d) SMX吸附過程中pH值的變化；(e)不同吸附方式下的能量消耗。

圖2系統(tǒng)探究了不同操作條件與環(huán)境因素對(duì)吸附動(dòng)力學(xué)的影響。隨著SMZ初始濃度升高，吸附容量與速率均顯著提升，這與傳統(tǒng)吸附行為相反，體現(xiàn)了電增強(qiáng)過程的質(zhì)量傳遞優(yōu)勢。流速在25 mL/min時(shí)達(dá)到最佳吸附效果，過高或過低均不利于污染物的充分接觸。電壓在0.5 V時(shí)吸附性能最優(yōu)，超過1 V后吸附速率大幅提升，說明系統(tǒng)兼具吸附與氧化功能。

圖2所示。(a)初始污染物濃度，(b)進(jìn)水流速，(c)初始pH， (d)電壓，(e)共存陰離子，(f)水中常見共存有機(jī)化合物對(duì)隔離電極體系中SMZ電吸附動(dòng)力學(xué)的影響。

圖3深入揭示了系統(tǒng)中活性氧物種的生成與SMZ的降解機(jī)制。陰極通過氧還原反應(yīng)原位生成H2O2，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為超氧自由基與單線態(tài)氧等活性物種，推動(dòng)SMZ的降解。淬滅實(shí)驗(yàn)與電子順磁共振譜證實(shí)了這些物種的存在及其在降解中的作用。質(zhì)譜分析鑒定出13種中間產(chǎn)物，并提出兩條主要降解路徑：一條以異惡唑環(huán)開環(huán)為起點(diǎn)，另一條則涉及苯環(huán)的開環(huán)反應(yīng)。

圖3所示。(a)不同模式下H2O2的原位生成和轉(zhuǎn)化曲線；(b)萃滅實(shí)驗(yàn)（EPR譜）；(c) SMZ在單陰極體系中可能的降解途徑。

經(jīng)過脈沖電場再生的活性炭在8個(gè)循環(huán)內(nèi)仍保持50%以上的吸附效率，顯著優(yōu)于無再生模式（圖4）。氮?dú)馕?脫附曲線顯示，再生后活性炭的比表面積有所恢復(fù)，但隨循環(huán)次數(shù)增加，微孔結(jié)構(gòu)逐漸向中孔轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致吸附性能最終下降。掃描電鏡觀察也表明，長期電化學(xué)再生會(huì)引起碳基質(zhì)局部破碎，提示未來需在材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面進(jìn)一步優(yōu)化。

圖4. (a)在三種模式下連續(xù)10次循環(huán)操作后的SMZ去除能力。（b-c）原GAC、污染GAC和再生GAC的氮?dú)馕胶徒馕€及孔徑分布。

總結(jié)與展望

本研究表明，孤立單陰極電增強(qiáng)吸附系統(tǒng)能有效緩解高鹽廢水中有機(jī)物去除的鹽分干擾問題，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與“短板效應(yīng)”的工程化利用，在低能耗下實(shí)現(xiàn)SMZ的高效吸附與電極原位再生。系統(tǒng)兼具吸附與輕度氧化的雙重功能，為高鹽有機(jī)廢水的資源化處理提供了新思路。然而，在實(shí)際廢水復(fù)雜組分中，共存有機(jī)物如腐殖酸的競爭吸附仍可能影響系統(tǒng)性能，未來需通過活性炭表面功能化改性提升其選擇性與抗干擾能力。此外，長期運(yùn)行中活性炭的結(jié)構(gòu)退化問題也提示我們，需進(jìn)一步開展碳基質(zhì)增強(qiáng)與納米復(fù)合電極材料的設(shè)計(jì)研究，以提升材料的循環(huán)穩(wěn)定性。后續(xù)工作應(yīng)聚焦中試驗(yàn)證與技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，推動(dòng)該技術(shù)向制藥、水產(chǎn)養(yǎng)殖等高鹽廢水處理的實(shí)際應(yīng)用邁進(jìn)。

文獻(xiàn)鏈接

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2025.147012

第一作者信息

王昕宇，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)2022級(jí)博士研究生，導(dǎo)師為馬杰教授，主要開展離子分離應(yīng)用背景下的顆粒電極制備及工作模式研究。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of Cleaner Production,Desalination, ScienceoftheTodalEnvironment, JournalofEnvironmentalChemicalEngineering等期刊。本科畢業(yè)于沈陽建筑大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，碩士畢業(yè)于東北大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)。曾獲沈陽市優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽(yù)稱號(hào)。

通訊作者信息

馬杰，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，中組部第十一批上海援疆干部，長期致力于電容去離子分離技術(shù)和應(yīng)用研究，新疆天山創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，主持5項(xiàng)國家自然科學(xué)基金，在Nat. Water, Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Adv. Funct. Mater., Nano Let., Research, Water. Res., Environ. Sci. Technol.等期刊以第一/通訊作者發(fā)表SCI論文250余篇，ESI高被引/熱點(diǎn)論文31篇/次，論文總他引15000次（WOS），主編《環(huán)境材料概論》，參編英文專著3部，授權(quán)中國發(fā)明專利20項(xiàng)。擔(dān)任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化學(xué)學(xué)報(bào)等期刊編委，新疆地震學(xué)會(huì)副理長，新疆碳納米材料制備與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，新疆工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，，新疆節(jié)能減排專家委員會(huì)學(xué)術(shù)委員會(huì)副主任，中國化學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國有色金屬學(xué)會(huì)環(huán)境保護(hù)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等，入選 “上海市東方英才計(jì)劃拔尖項(xiàng)目”，“新疆杰出青年基金”，“上海市人才發(fā)展基金”、同濟(jì)大學(xué)“中青年科技領(lǐng)軍人才”和“百人計(jì)劃”等，獲上海市自然科學(xué)二等獎(jiǎng)（1/5），河南省自然科學(xué)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)、中國化工學(xué)會(huì)基礎(chǔ)研究成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等，擔(dān)任中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)《環(huán)境修復(fù)材料》分會(huì)主席，中國材料大會(huì)《環(huán)境分離凈化材料與技術(shù)》分會(huì)主席，中國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)《環(huán)境分離凈化材料》分會(huì)主席，入選 “高被引科學(xué)家”，“中國高被引學(xué)者”和“全球前2%頂尖科學(xué)家榜單”。

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