同济大学/喀什大学马杰团队JCP：颗粒电极电增强吸附有机污染物中“短板效应”研究

第一作者：王昕宇

通讯作者：马杰、于飞

通讯单位：同济大学、喀什大学

论文DOI：10.1016/j.jclepro.2025.147012

研究背景

随着制药、石化等工业的快速发展，高盐有机废水排放量逐年增加，这类废水通常含有抗生素、酚类等有害有机物，盐分浓度约1.5 wt%以上，给传统水处理技术带来严峻挑战。现有生物处理法需长时间驯化菌种，且高盐环境会抑制微生物活性；膜蒸馏等技术虽可实现盐分回收，但有机物易导致膜污染，影响运行效率。因此，发展一种能够抵抗高盐度的有机物分离技术成为当前研究的重要方向。电增强吸附技术因其操作灵活、能耗较低而受到关注，但在高盐条件下，无机离子与有机物之间的竞争吸附严重制约其效果，阳极腐蚀与离子干扰等问题也限制了该技术的实际应用。为此，本研究提出一种基于“短板效应”的单阴极电增强吸附策略，旨在通过电极结构创新，实现高盐环境下有机污染物的高效去除与吸附剂的原位再生。

内容简介

本研究构建了一种三维孤立单阴极颗粒电极系统，以磺胺甲恶唑（SMZ）为目标污染物，系统探究了在高盐条件下电增强吸附的性能与机制。通过对比物理吸附、传统双电极电吸附、孤立单阳极及孤立单阴极四种操作模式，孤立单阴极系统在盐度低于1.5 wt%时可实现约95%的SMZ去除率，且平衡吸附容量达18.43 mg/g，能耗仅为0.01 kWh/m3，较传统电吸附降低约40倍。该系统的优势源于其巧妙利用“短板效应”，即通过空置阳极限制无机离子的吸附，形成不对称电场，促进SMZ在阴极表面的富集。高盐环境下的盐析效应进一步增强了有机物向孔道的分配。此外，系统通过阴极氧还原反应原位生成过氧化氢及其衍生活性氧物种，实现了吸附剂的电化学再生，延长材料的使用寿命。

图文导读

图1展示了本研究构建的四种吸附模式结构及其性能对比。通过对比物理吸附、传统双电极电吸附、孤立单阳极与孤立单阴极四种模式，研究发现孤立单阴极系统在盐度低于1.5 wt%时对磺胺甲恶唑的去除率可达95%以上，且能耗仅为0.01 kWh/m3。该图还显示，随着盐度升高，系统的脱盐能力被有意抑制，进一步印证了“短板效应”在缓解离子竞争中的作用。同时，系统在不同pH条件下仍能保持稳定的吸附性能，说明其具备较宽的适用性。

图1所示。(a)隔离式单阴极反应器和不同吸附模式的结构示意图(每种过滤模式均施加1 V电压，进料溶液含100 mg/L SMX和高NaCl浓度（0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%）。在每种模式上面的原理图中，橙色和绿色层分别代表供电阴极和阳极，蓝色箭头表示流动方向)；(b)不同模式下SMX的去除率；(c)模式一、模式二、模式三、模式四的脱盐能力比较(d) SMX吸附过程中pH值的变化；(e)不同吸附方式下的能量消耗。

图2系统探究了不同操作条件与环境因素对吸附动力学的影响。随着SMZ初始浓度升高，吸附容量与速率均显著提升，这与传统吸附行为相反，体现了电增强过程的质量传递优势。流速在25 mL/min时达到最佳吸附效果，过高或过低均不利于污染物的充分接触。电压在0.5 V时吸附性能最优，超过1 V后吸附速率大幅提升，说明系统兼具吸附与氧化功能。

图2所示。(a)初始污染物浓度，(b)进水流速，(c)初始pH， (d)电压，(e)共存阴离子，(f)水中常见共存有机化合物对隔离电极体系中SMZ电吸附动力学的影响。

图3深入揭示了系统中活性氧物种的生成与SMZ的降解机制。阴极通过氧还原反应原位生成H2O2，进一步转化为超氧自由基与单线态氧等活性物种，推动SMZ的降解。淬灭实验与电子顺磁共振谱证实了这些物种的存在及其在降解中的作用。质谱分析鉴定出13种中间产物，并提出两条主要降解路径：一条以异恶唑环开环为起点，另一条则涉及苯环的开环反应。

图3所示。(a)不同模式下H2O2的原位生成和转化曲线；(b)萃灭实验（EPR谱）；(c) SMZ在单阴极体系中可能的降解途径。

经过脉冲电场再生的活性炭在8个循环内仍保持50%以上的吸附效率，显著优于无再生模式（图4）。氮气吸附-脱附曲线显示，再生后活性炭的比表面积有所恢复，但随循环次数增加，微孔结构逐渐向中孔转变，导致吸附性能最终下降。扫描电镜观察也表明，长期电化学再生会引起碳基质局部破碎，提示未来需在材料结构稳定性方面进一步优化。

图4. (a)在三种模式下连续10次循环操作后的SMZ去除能力。（b-c）原GAC、污染GAC和再生GAC的氮气吸附和解吸曲线及孔径分布。

总结与展望

本研究表明，孤立单阴极电增强吸附系统能有效缓解高盐废水中有机物去除的盐分干扰问题，通过结构设计优化与“短板效应”的工程化利用，在低能耗下实现SMZ的高效吸附与电极原位再生。系统兼具吸附与轻度氧化的双重功能，为高盐有机废水的资源化处理提供了新思路。然而，在实际废水复杂组分中，共存有机物如腐殖酸的竞争吸附仍可能影响系统性能，未来需通过活性炭表面功能化改性提升其选择性与抗干扰能力。此外，长期运行中活性炭的结构退化问题也提示我们，需进一步开展碳基质增强与纳米复合电极材料的设计研究，以提升材料的循环稳定性。后续工作应聚焦中试验证与技术经济性分析，推动该技术向制药、水产养殖等高盐废水处理的实际应用迈进。

文献链接

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

第一作者信息

王昕宇，同济大学环境科学与工程学院环境工程专业2022级博士研究生，导师为马杰教授，主要开展离子分离应用背景下的颗粒电极制备及工作模式研究。相关研究成果发表于Journal of Cleaner Production,Desalination, ScienceoftheTodalEnvironment, JournalofEnvironmentalChemicalEngineering等期刊。本科毕业于沈阳建筑大学给排水科学与工程专业，硕士毕业于东北大学环境工程专业。曾获沈阳市优秀毕业生等荣誉称号。

通讯作者信息

马杰，同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师，中组部第十一批上海援疆干部，长期致力于电容去离子分离技术和应用研究，新疆天山创新团队负责人，主持5项国家自然科学基金，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/通讯作者发表SCI论文250余篇，ESI高被引/热点论文31篇/次，论文总他引15000次（WOS），主编《环境材料概论》，参编英文专著3部，授权中国发明专利20项。担任Sci. Rep.、Chinese Chem. Lett.、Sustainable Horizons、物理化学学报等期刊编委，新疆地震学会副理长，新疆碳纳米材料制备与应用重点实验室主任，新疆工程材料与结构重点实验室学术委员会副主任，，新疆节能减排专家委员会学术委员会副主任，中国化学会高级会员、中国有色金属学会环境保护学术委员会委员等，入选 “上海市东方英才计划拔尖项目”，“新疆杰出青年基金”，“上海市人才发展基金”、同济大学“中青年科技领军人才”和“百人计划”等，获上海市自然科学二等奖（1/5），河南省自然科学奖三等奖、中国化工学会基础研究成果奖二等奖等，担任中国环境科学学会年会《环境修复材料》分会主席，中国材料大会《环境分离净化材料与技术》分会主席，中国新材料产业发展大会《环境分离净化材料》分会主席，入选 “高被引科学家”，“中国高被引学者”和“全球前2%顶尖科学家榜单”。

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