基于颗粒限域与电化学增强的新型流通式电化学反应器研究及其在废水处理中的应用

为解决传统流通式电化学反应器中多孔电极易堵塞、处理能力不足等问题，研究人员开发了一种基于活性炭颗粒（ACPs）的新型反应器，通过增强传质与电化学过程，将RhB去除率从13.0%提升至97.9%，并建立了表观一级动力学模型。该反应器在连续六轮实验中保持96.5%以上的去除效率，实际印染废水COD去除率达78.6%，为废水处理提供了高效稳定的解决方案。

　　

在当今环境治理领域，电化学技术因其高效性和清洁性备受关注，但传统电化学反应器却面临着一个尴尬的困境——就像用吸管喝珍珠奶茶时，珍珠总是堵住吸管一样，多孔电极的微孔结构极易被污染物堵塞，且加工难度大、处理能力有限。这些问题严重制约了电化学技术在废水处理中的大规模应用。

为了破解这一难题，研究人员开发了一种革命性的解决方案——基于活性炭颗粒（ACPs）限域效应的新型流通式电化学反应器。这个设计巧妙地融合了"大孔道畅通"和"微孔道增效"的双重优势：采用易于加工的大孔板电极（孔径>1mm）保障水流畅通，同时通过填充ACPs形成约200μm的微通道，显著强化污染物传质过程。更妙的是，ACPs直接与阳极接触时还能发挥"微电极"作用，就像给反应器装上了成千上万的微型催化剂。

研究团队通过系统的实验验证了该反应器的卓越性能。在RhB处理实验中，新型反应器的去除效率较传统模式提升了7.5倍，达到惊人的97.9%。通过建立表观一级动力学模型，研究人员首次量化了表面诱导吸附反应速率常数（k_ads）和电化学反应速率常数（k_ele）的协同作用机制。更令人振奋的是，在连续六轮、每轮8小时的马拉松式测试中，反应器始终保持着96.5%以上的高去除率，且完全避免了堵塞问题。当处理实际印染废水时，这个"电化学净水器"在8小时内就斩获了78.6%的COD去除率，展现出强大的工程应用潜力。

关键技术方面，研究主要采用：1）SEM和BET表征ACPs的形貌与比表面积（847.7 m²/g）；2）流通式反应器构型优化；3）表观一级动力学建模；4）长期稳定性测试设计。

【材料特性】SEM显示ACPs呈不规则碎片状，形成约200μm的互联孔隙；BET证实其具有丰富介孔结构，吸附等温线呈现IV型特征，表明优异的污染物捕获能力。

【性能对比】与传统模式相比，新型反应器在相同条件下将RhB去除率从13.0%提升至97.9%，电流效率提高4.3倍，能耗降低68%。

【参数优化】实验发现最佳操作条件为：电压3V、ACPs层厚3cm、流速2mL/min，此时k_obs可达0.083 min^-1。

【机理分析】动力学研究表明，反应遵循表观一级动力学，其中k_ads贡献率占34%，k_ele占66%，证实电化学氧化为主导机制。

【实际应用】处理真实印染废水时，反应器8小时COD去除率78.6%，且ACPs可通过原位流化再生（附录A方法S1），维护成本极低。

这项研究的意义不仅在于发明了一个"不堵车"的电化学反应器，更重要的是开创了"宏观畅通-微观增效"的协同设计范式。就像在高速公路上设置智能匝道，既保证车流畅通又确保每辆车都能到达目的地。该技术为解决电化学水处理领域的"卡脖子"问题提供了新思路，其模块化设计更便于放大应用，为工业废水处理提供了一把绿色高效的钥匙。未来，通过优化ACPs种类和电极材料，这种反应器有望成为水处理领域的"瑞士军刀"，实现从实验室到工厂的完美跨越。