编辑推荐：
酸性矿山废水（AMD）中铁等污染物处理难题待解，传统石灰中和法效率低、污泥多。研究人员开发 PEM 电解系统，在 15 g/L 硫酸根、60 mA 条件下，290 min 内 Fe、As 等去除率达 100%，Fe 转化为纯度 99% 的 Fe?O?，成本仅 0.52 $/m3，为 AMD 治理提供新路径。
在矿产资源开发过程中，酸性矿山废水（AMD）如同潜伏在自然环境中的 “隐形杀手”，正持续威胁着全球生态安全。这类废水因富含硫铁矿等矿物氧化产生的大量铁离子（Fe2?、Fe3?），以及锰（Mn2?）、铜（Cu2?）、砷（As）等重金属，不仅会酸化水体、破坏微生物群落，还会通过食物链危及动植物及人类健康。目前，广泛使用的石灰中和法虽操作简便，却面临着铁浓度过高导致钝化层形成、处理效率下降，以及大量污泥产生带来的成本和固废处理难题。此外，传统矿物化技术或因氧化效率低，或因试剂运输存储成本高，难以兼顾经济性与环境友好性。如何高效去除 AMD 中的铁并实现资源回收，成为全球环境治理领域的紧迫课题。
为突破这一技术瓶颈，中国研究人员开展了基于质子交换膜（PEM）电解技术的铁回收研究。这项发表在《Environmental Research》的成果，通过构建新型电化学系统，成功实现了 AMD 中铁向高价值四氧化三铁（Fe?O?）的转化，为酸性矿山废水的绿色治理开辟了新方向。
研究主要采用的关键技术方法包括：搭建 H 型电解池，以 N117 质子交换膜分隔阴阳极室，使用铱涂层钛网作为阳极、铂片作为阴极；通过调节硫酸根浓度（5-15 g/L）和电流强度（30-60 mA）优化电解条件；利用电子顺磁共振（EPR）和自由基淬灭实验分析活性氧物种（如羟基自由基?OH）的作用机制；结合 pH、溶解氧（DO）监测及 XRD、TEM 等表征手段追踪铁的转化路径。
最佳运行条件的确定
研究发现，硫酸根浓度和电流强度对总铁（TFe）去除效率影响显著。当硫酸根浓度为 15 g/L、电流强度 60 mA 时，电解 290 分钟后，Fe、As、Cu、Mn、Zn、Cr 等污染物去除率均达 100%。较低的硫酸根浓度（5 g/L）会导致 TFe 去除效率仅 60%，表明适当的离子强度是维持电解性能的关键。
铁转化机制解析
电解初始阶段（0 分钟），阴极液呈酸性（pH 2.5），溶解氧（DO＞8 mg/L）充足。随着电解进行，氧还原反应（ORR）生成过氧化氢（H?O?）和?OH，将部分 Fe2?氧化为 Fe3?，进而水解形成 γ-FeOOH 黄色颗粒。90 分钟时，溶液 pH 升至 4，DO 降至接近 0 mg/L，氢析出反应（HER）主导使体系呈碱性，促进 Fe2?水解生成绿色锈（green rust）。电解后期，剩余 Fe2?、绿色锈与 γ-FeOOH 通过电子转移反应溶解并再结晶，最终形成纯度达 99%、粒径 297±1.6 nm、饱和磁化强度 54.2 emu/g 的 Fe?O?。
实际废水处理与经济性评估
在真实 AMD 处理中，该系统对 Fe2?和 Mn2?的去除率均达 100%，产物仍为 Fe?O?，验证了技术的普适性。经济分析显示，处理成本仅为 0.52 美元 / 立方米，显著低于传统化学氧化法，且避免了 H?O?等试剂的使用风险，兼具环境效益与经济可行性。
结论与意义
这项研究构建的 PEM 电解技术，通过精准调控电化学过程中的氧化还原反应与 pH 环境，实现了 AMD 中铁的高效去除与高值化回收。其核心创新在于利用质子交换膜分隔阴阳极室，结合 HER 和 ORR 的动态平衡，创造了低氧碱性环境以驱动 Fe?O?的定向生成。该技术不仅突破了传统方法在铁去除效率与资源回收方面的双重局限，为酸性矿山废水治理提供了 “以废治废” 的可持续方案，也为电化学技术在重金属污染修复领域的应用拓展了新场景。随着全球对循环经济与绿色技术的需求日益迫切，这一成果有望推动 AMD 治理从 “末端处理” 向 “资源循环” 的范式转变，为解决采矿活动带来的环境遗留问题提供关键技术支撑。
