近日，溫州大學生命與環境科學學院黃先鋒副教授帶領的團隊在國際著名期刊《Journal of Cleaner Production》(SCI 一區TOP 期刊，IF = 11.1)上發表題為“A novel multifunctional cell coupled by electrodialysis and electrocatalysis for seawater desalination, wastewater decontamination and H₂O₂ production”的論文。

近年來，電化學高級氧化工藝（EAOPs）因其能夠高效降解化工廢水、制藥廢水、電鍍廢水等工業廢水中的多種難降解有機污染物而受到越來越多的關注。但其在工業廢水中的應用仍然受到電極活性和穩定性低、電流效率低、能耗高等限制。因此，部分研究者提出采用耦合工藝（如：光電催化、電催化過硫酸鹽活化和電芬頓等）來提高EAOPs效率，以更好地應用于廢水處理。然而，這些耦合工藝需要額外的化學藥劑或輔助能源，從而增加了處理成本。

海水作為沿海地區的重要水資源，其鹽度通常高于工業廢水，兩者之間存在著鹽差能。此外，海水中富含氯化鈉，其中高濃度的氯離子可通過析氯反應提高對污染物的降解效果。在本研究中，我們采用高效鉑（Pt）片作為陽極，炭黑氣體擴散電極作為陰極，建立了電催化-電滲析耦合的三室多功能反應裝置（圖1），該裝置陽極室可電催化氧化降解污染物，中間室可電滲析海水脫鹽，陰極室可電催化產H₂O₂。對該耦合工藝性能探究的實驗結果表明，耦合工藝在4 V電壓條件下可實現70%左右的海水淡化（圖2（a）），90%氨芐西林（AMP，200 mg/L）去除率（圖2（b））和3.2 g/L的H₂O₂產出量（圖2（c）），而且其還對羅丹明B、尿素、硝基苯、喹啉等多種污染物都具有較高去除能力（圖2（d））。機理探索表明（圖3），陽極室產生的羥基自由基（?OH）和活性氯（RCS）是去除AMP的主要活性物種，?OH和RCS的貢獻率分別為70%和30%；電滲析可以產生0.5 V的內電位促進電催化反應，并提供Cl^-和Na⁺作為電催化過程的電解質；電催化析氯反應提高了系統電子傳遞效率，從而提高了對AMP的去除率和H₂O₂的產出。

圖1 耦合工藝運行示意圖

圖2 （a）海水脫鹽率，（b）AMP去除率，（c）H₂O₂產量，（d）不同污染物去除率。反應條件：電極室中K₂SO₄ = 0.05 M，[NaCl]₀ = 35 g/L，[污染物]₀ = 200 mg/L。

圖 3 中間脫鹽室中鹽水類型（NaCl 或 Na₂SO₄）對耦合工藝性能的影響：（a）AMP去除率，（b）電流輸出和（c）H₂O₂產生量。（d） DMPO-?OH的EPR譜圖。（e） 淬滅實驗。（f） 總氯和游離氯的濃度。反應條件：[AMP]₀ = 200 mg/L，[鹽水]₀ = 35 g/L，電壓 = 4 V。

溫州大學生環學院田海龍博士為論文第一作者，黃先鋒副教授為論文通訊作者。溫州大學為第一單位和通訊單位。本工作得到了國家自然科學基金(52170092和51808406)和浙江省自然科學基金(LY20E080028)資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.141324