用于有机污染物氧化及从受污染水和沉积物中回收金属的增强型光电催化技术

《Journal of Hazardous Materials》：Enhanced Photoelectrocatalysis for Oxidation of Organic Pollutants and Metal Recovery from Polluted Water and Sediments

光电催化技术（PEC）可有效降解多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、有机锡化合物（TBT）等有机污染物，并同步回收铜（Cu）、铅（Pb）、镉（Cd）等重金属。研究显示，添加过氧化氢（H?O?）可将TBT降解率提升至91%，PAHs和PCBs去除率超过99%。但沉积物中污染物与基质（如轮胎颗粒、油漆片）的强结合导致处理效率降低，需优化pH、电流强度及固液比。该技术为可持续沉积物管理提供了新方案，未来需验证规模化应用及环境影响。

　　在当前的研究中，科学家们致力于开发一种新型的污染治理方法，即光电催化（Photoelectrocatalytic, PEC）技术，以应对海洋、咸水和雨水沉积物中复杂的有机和无机污染物。这些污染物包括多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、烷烃和芳香烃、邻苯二甲酸酯（phthalates）、三丁基锡（TBT）以及多种金属。由于污染沉积物在港口和城市水道中普遍存在，研究旨在通过一种高效且可持续的方法，同时去除有机污染物并回收金属。

研究团队发现，在纯水溶液中，PEC技术对有机污染物的去除效率较高，能够实现超过99%的PAHs、PCBs和TBT去除率，同时能够回收76%的铜。然而，在实际沉积物处理过程中，PEC的去除效率相对较低，尤其是对雨水沉积物中的PAHs。这表明，沉积物的复杂性和污染物的结合强度可能对处理效果产生显著影响。为了进一步提高处理效果，研究团队尝试将PEC与过氧化氢（H?O?）结合使用，结果显示，这种组合能够显著提升对TBT（91%）、PCBs（82%）以及邻苯二甲酸酯（如DINP和DEHP，分别达到98%和85%）的去除率。

在实验设计方面，研究团队首先对不同沉积物样本进行了初步分析，包括金属、PAHs、PCBs、邻苯二甲酸酯以及烷烃和芳香烃的含量。接着，他们使用不同电极材料和电位，测试了TBT、PAHs和PCBs的氧化效果，并对沉积物进行了处理。为了评估PEC的处理效果，团队使用了四种不同的实验条件，包括不同液体与固体比例（LS）、处理时间、是否添加H?O?以及是否采用电化学处理。实验过程中，通过将沉积物与水混合并置于紫外灯下进行处理，观察污染物的释放和氧化情况。

实验结果显示，PEC技术在处理有机污染物方面具有明显优势，特别是在结合H?O?的情况下。然而，对于某些特定污染物，如PAHs，其去除效率仍受沉积物性质的影响。这表明，处理沉积物的效率不仅取决于技术本身，还受到沉积物中污染物的结合方式、有机质含量以及物理化学性质的影响。例如，PAHs在富含有机质的沉积物中可能与油类和轮胎磨损颗粒紧密结合，导致其在处理过程中难以有效降解。

此外，研究团队还评估了PEC技术在不同沉积物类型中的应用潜力。他们发现，不同沉积物的处理效果存在显著差异。例如，对于含有机污染物较多的雨水沉积物，处理效率相对较低，而海洋沉积物和城市水道沉积物则表现出更好的处理效果。这些结果表明，沉积物的性质对处理效率具有决定性影响，因此需要针对不同类型的沉积物进行定制化处理。

在金属回收方面，研究团队发现，PEC技术能够有效回收多种金属，包括铜、铅、镉、镍等。然而，金属回收效率受多种因素影响，如LS比值、电极材料、电流强度以及水处理过程中的pH值等。研究团队指出，金属在沉积物中的结合方式可能是影响回收效率的关键因素，例如，某些金属可能与沉积物中的有机质或其他化学成分形成稳定的络合物，从而降低其在电极上的沉积效率。

为了提高处理效率，研究团队建议未来的研究应进一步优化系统参数，如暴露时间、pH值、H?O?的剂量、LS比值等，并探索其他可能的辅助手段，如循环系统、更强的UVC光源、不同的流速以及添加溶剂或生物表面活性剂。这些优化措施可能有助于提高处理效率，特别是在处理高污染沉积物时。

在成本估算方面，研究团队指出，PEC技术的处理成本约为每吨处理湿沉积物1466美元，而单独的光催化（PC）处理成本略低。然而，由于电化学过程对能耗的影响较小，PEC技术在实际应用中具有较大的潜力。同时，研究团队建议在大规模项目中，通过批量采购降低材料成本，并优化电力使用以进一步减少费用。

未来的研究方向还包括对PEC技术在不同沉积物类型中的适用性进行深入分析，以及探讨其对生态环境的影响。例如，研究团队建议，在处理后的沉积物中，应进一步评估残留污染物对生物体的潜在影响，特别是在将处理后的沉积物重新投放到海洋环境中的情况下。此外，他们还提到，使用更环保的UV光源，如UV LED灯，可以减少对环境的负面影响。

总的来说，这项研究为污染沉积物的治理提供了一种新的技术路径，即通过光电催化技术同时去除有机污染物并回收金属。尽管在实际沉积物处理中仍面临一定的挑战，但PEC技术在实验室规模上展现出良好的应用前景。未来的研究需要进一步优化处理参数，探索更有效的处理方法，并评估其对环境的长期影响，以确保其在实际工程中的可行性和可持续性。