综述：电化学法从废弃物中回收磷

这篇综述系统阐述了电化学技术（EC、ED、BES等）在磷（P）资源回收领域的应用进展，重点探讨了电化学诱导沉淀（EMP）、电凝聚（EC）、电容去离子（CDI）及生物电化学系统（BES）等技术的机制与优化策略，分析了从废水（如市政/工业污水）和固体废物（如污泥灰、磷石膏）中回收磷酸盐（PO43-）的可行性，并展望了机器学习（ML）耦合电化学的未来发展方向。

　　

电化学磷回收技术：机制与应用

引言

磷（P）是生命体和农业工业的关键元素，但全球磷矿分布不均且面临枯竭风险。同时，含磷废弃物导致的水体富营养化问题日益严重。电化学技术因其高效、低化学药剂消耗等优势，成为磷回收的研究热点。

废弃物中的磷形态与资源潜力

废弃物中的磷主要包括正磷酸盐（ortho-P）、聚磷酸盐和有机磷。市政污水中ortho-P浓度达4-15 mg/L，工业废水含10-100 mg/L聚磷酸盐，而畜禽粪便和污泥中磷含量高达1000-2000 mg/L。钢铁渣和磷尾矿等固体废物也富含磷（0.07-2% P₂O₅），具有显著回收价值。

电化学回收机制

1. 电化学诱导沉淀（EMP）
   通过阴极产碱（2H₂O + 2e^- → H₂↑ + 2OH^-）促进磷酸钙（Ca-P）或鸟粪石（MgNH₄PO₄·6H₂O）沉淀。Ru-Ir混合金属氧化物（MMO）阳极可高效氧化有机磷，而CaCO₃填料能增强Ca²⁺释放。

2. 电凝聚（EC）
   铁或铝阳极溶解产生Fe³⁺/Al³⁺，形成氢氧化物絮体吸附磷酸盐。铁基EC可生成磁性蓝铁矿（Fe₃(PO₄)₂·8H₂O），镁基EC则直接回收鸟粪石。

3. 电迁移驱动技术

• 电容去离子（CDI）：碳基电极通过双电层（EDL）吸附HPO₄^2-，改性生物炭电极（如ZnFe-LDH/PANI/CNT）提升选择性。
• 电渗析（ED）：阴离子交换膜（AEM）定向迁移PO₄^3-，实现磷与重金属分离。

1. 生物电化学系统（BES）
   微生物燃料电池（MFC）利用阳极微生物氧化有机物，阴极碱性环境沉淀磷。微生物电解池（MEC）外接电压强化磷回收，同步产氢。

废弃物处理应用

1. 废水处理

• 市政污水：MCDI系统可浓缩磷至502 mg/L，能耗仅6.8 kWh/kg P。
• 工业废水：Ti-RuO₂/Fe/ACF耦合电芬顿技术，将次磷酸盐（H₂PO₂^-）氧化为PO₄^3-并沉淀为FePO₄。

1. 固体废物处理

• 污泥灰：ED系统在H₂SO₄预处理下实现96%磷迁移。
• 磷石膏：电解-电渗析联用回收PO₄^3-，同时去除氟（F^-）。

耦合技术与机器学习

1. 多元素同步回收
   4C-EMS系统通过膜分离同步回收磷（279 kWh/kg P）和氮（8.2 kWh/kg N）。
2. 机器学习优化
   随机森林（RF）模型预测磷回收效率（R²=0.882），粗糙集规则学习（RSML）提取86条决策规则指导参数调节。

挑战与展望

当前技术仍面临电极钝化、膜污染和高能耗问题。未来需开发抗污染膜材料、优化反应器设计，并推动中试示范。机器学习与电化学的深度融合，将为智能控制磷回收流程提供新范式。