通过电凝聚法提高饮用水中砷的去除效果：阳极材料与超微气泡的影响

本研究通过结合超微气泡技术与电凝聚法，评估铝、铁、锌三种阳极材料在不同pH条件下的砷去除效率。结果表明，铁阳极在超微气泡辅助下10分钟内砷去除率达99%，能耗最低（0.13 kWh/m3），显著优于铝和锌阳极。该集成技术为农村和小型水处理系统提供了高效、低成本的砷污染治理方案，未来需验证实际应用中的长期稳定性和经济性。

　　
本研究针对全球范围内饮用水砷污染问题，提出将超微气泡（UFB）技术与电凝聚（EC）结合的创新方案，并系统评估了不同阳极材料（铝、铁、锌）的协同效应。通过实验室模拟实验发现，铁基阳极在UFB辅助下表现出最优的砷去除性能，不仅10分钟内即可实现99%的砷去除率，其单位能耗仅为0.16 kWh/m3，较传统工艺具有显著优势。研究同时揭示了pH值、气泡特性与电极材料之间的复杂作用机制，为农村地区低成本砷处理提供了理论依据。

一、技术背景与研究意义
砷污染作为全球性公共卫生问题，在亚洲、非洲及拉丁美洲等地区尤为突出。世界卫生组织设定的饮用水砷安全限值为10 μg/L，但发展中国家仍有大量水源未达到该标准。传统处理技术存在化学药剂依赖性强、运行成本高等缺陷，而电凝聚技术因无需化学添加、操作简便等特性备受关注。本研究突破性地将UFB技术与EC结合，利用UFB的高比表面积（直径50-200nm）、稳定气泡结构及强氧化特性，协同提升电凝聚的除砷效率。

二、实验设计与创新点
1. **多参数协同优化**：系统考察了三种阳极材料（Al、Fe、Zn）在pH4、7、10条件下的性能差异，同时引入UFB水作为新型处理介质。实验采用500mL批次式反应器，配备在线电压监测和磁力搅拌装置，确保反应均匀性。
2. **UFB特性控制**：通过专用发生器（UP0290M-1）制备含5.86×10?个/cm3超微气泡的水体，其zeta电位稳定在-29.93mV（最佳生成时间10分钟），确保气泡稳定性和活性。
3. **综合性能评估**：除传统去除率指标外，创新性引入能量效率（SEC）和电极腐蚀率双维度评价体系，量化技术经济性。

三、关键研究发现
1. **阳极材料性能对比**：
- 铁基阳极（Fe）表现最优：在UFB辅助下，10分钟内去除率达99%，能耗最低（0.13 kWh/m3）
- 锌基阳极（Zn）次之：碱性条件（pH10）下去除率可达93%，但酸性条件（pH4）效率下降至82%
- 铝基阳极（Al）效率最低：30分钟去除率仅30%，且存在明显副腐蚀现象

2. **UFB协同增效机制**：
- 气液传质增强：UFB使溶解氧浓度提升40%，促进Fe2?向Fe3?氧化
- 活性物质生成：产生羟基自由基（·OH）和过氧化氢（H?O?），催化As(III)氧化为As(V)
- 悬浮体优化：气泡-絮体复合结构使碰撞概率提升3倍，加速砷的吸附-共沉淀过程

3. **pH影响规律**：
- 铁基系统在pH7-10区间表现最佳，砷形态以As(V)为主（FTIR证实915cm?1特征峰）
- 铝基系统在pH4时去除率最高（53%），但随pH升高效率骤降
- 锌基系统在pH10时去除率达91.7%，与铁基系统存在0.8个pH单位的最适范围差异

四、技术经济性分析
1. **能耗优势**：UFB辅助下铁基系统能耗降低18%，较传统电化学处理（0.45-0.52 kWh/m3）节能30%以上
2. **电极损耗控制**：铁基电极实际溶解量（42g/m3）较理论值（35g/m3）偏差仅20%，优于铝基（64%理论值偏差达92%）和锌基（61%理论值偏差达15%）
3. **处理规模扩展**：实验室500mL反应器数据表明，1000L规模处理成本可控制在0.2-0.3 kWh/m3，符合联合国可持续发展目标（SDG6）的能源效率要求

五、应用前景与改进方向
1. **适用场景**：
- 适用于pH4-10的复杂水质条件
- 10分钟快速处理满足紧急场景需求
- 单位处理成本低于0.2 kWh/m3，符合农村能源可及性要求

2. **优化建议**：
- 开发铁基阳极表面改性技术（如TiO?纳米涂层），预期可提升30%处理效率
- 建立气泡-絮体协同动力学模型，指导反应器优化设计
- 开展实地下水源验证，特别是高浓度（>200μg/L）场景处理效果

3. **技术延伸**：
- 可结合太阳能供电系统，构建离网式处理装置
- 与吸附材料（如改性黏土）联用，实现深度处理（<5μg/L）
- 开发模块化电极组件，降低设备成本

本研究为解决发展中国家农村饮用水砷污染提供了创新解决方案，其核心价值在于通过物理化学协同作用突破传统电化学处理的技术瓶颈。后续工程化研究需重点关注电极长效稳定性（建议周期测试≥1000小时）和运行成本控制（目标＜0.5元/m3），以推动技术从实验室走向实际应用。该成果已获得日本学术振兴会（JSPS）项目资助（编号KAKENHI-19H03069），相关技术专利正在申请中。