电还原耦合超稳定矿化技术用于金属有机复合废水处理：实现排放标准并回收金属资源

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Electroreduction-Coupled Super-Stable Mineralization for Metal-Organic Complex Wastewater Treatment: Achieving the Discharge Standard and Metal Resource Recovery

电化学耦合矿物化处理可有效去除电镀废水中Ni-CA复合污染物，采用MnFe2O4@CF阳极和CF阴极，6小时处理后柠檬酸去除率95.0%，Ni2?94.8%，COD42.3%，五次循环性能稳定，阴极回收镍经煅烧得NiO，出水达标。

　　重金屬有機複合污染物在工業廢水中普遍存在，尤其是在無電鍍鎳工藝中產生的廢水。這些污染物的處理一直以來都是環境工程領域的一個重大挑戰，因為它們具有高度毒性、穩定性和難以生物降解的特性。為了解決這一問題，研究人員提出了一種結合電化學處理與礦化過程的創新方法，以實現高效去除鎳-檸檬酸（Ni-CA）複合污染物的目標。該方法不僅在去除污染物方面表現出卓越的性能，還能實現重金屬資源的回收，具有良好的經濟效益和環境友好性。

電化學處理技術因其環境友好性而受到廣泛關注，它可以在不使用額外化學試劑的情況下高效降解各種難降解的有機污染物。更重要的是，這種技術可以同時實現陽極氧化和陰極電沉積，從而達到去除重金屬和處理有機物的雙重目標。在電化學處理過程中，有機污染物可能通過直接電子轉移氧化或被陽極表面產生的強氧化物質氧化和降解。同時，陰極過程涉及重金屬離子的還原，這不僅有助于污染物的去除，還能實現重金屬的資源回收。因此，電極材料的設計在電化學處理技術的應用中起著至關重要的作用。

目前，貴金屬電極因其出色的化學穩定性而在工業電解中佔據主導地位。然而，貴金屬的成本較高，且其催化降解性能相對較差。這使得開發經濟實用、穩定性好、易於製備且具有優異催化活性的電極材料成為提高電化學處理效率的關鍵。在這種背景下，尖晶石型金屬氧化物被認為是貴金屬基催化劑的潛在替代品。這些材料具有元素可調節性和電催化活性，使其在電化學處理中具有廣泛的應用前景。特別是，錳鋁尖晶石（MnFe?O?）中的錳和鐵都是可變價元素，這大大增強了其在電化學過程中的氧化還原能力，為有機污染物的高效降解提供了可能。

為了進一步提高污染物氧化和降解的效率，選擇合適的載體基質和增加催化比表面積變得尤為重要。目前，碳織物（CF）因其成本低廉和適合大規模工業應用而被廣泛採用。碳織物具有較大的比表面積和開放的三維結構，為物質的傳輸和擴散提供了充足的活性位點。此外，其優異的機械強度使其在廢水處理過程中保持穩定性。因此，將MnFe?O?納入碳織物中，形成MnFe?O?@CF電極，不僅保留了碳織物的優勢，還提升了其催化性能，使其在處理Ni-CA複合污染物方面表現出更高的效率。

在處理Ni-CA複合污染物時，僅依靠電化學處理往往難以同時達到鎳離子和化學需氧量（COD）的排放標準。因此，需要進一步引入其他處理步驟。最近的研究表明，層狀雙氫氧化物（LDHs）在去除低濃度重金屬離子方面具有特別的效果。LDHs是一種兩維層狀黏土材料，其獨特的結構特性使得它能夠形成超穩定的礦化結構，這種結構通過同晶取代等機制，將重金屬陽離子不可逆地固定在新生成的穩定LDHs相中，從而實現高容量、快速動力學和長期穩定性的特點。此外，LDHs的正電層板還能通過靜電吸引等機制吸附有機污染物。因此，LDHs材料因其獨特的結構特性和經濟實用性，被認為是處理無電鍍鎳廢水的理想選擇。

本研究提出了一種電化學處理與高效穩定礦化過程相結合的方法，用於處理無電鍍鎳廢水中最常見的Ni-CA複合污染物。該方法不僅實現了污染物的高效去除，還促進了重金屬資源的回收，最終使廢水達到排放標準。在實驗中，使用MnFe?O?@CF作為陽極，CF作為陰極，進行6小時的電化學處理，結果顯示CA、Ni2+和COD的去除率分別達到95.0%、94.8%和42.3%。處理後的廢水中，Ni2+和COD的殘留濃度均低於0.5 mg/L和80 mg/L，符合電鍍廢水的排放標準。這表明，這種方法在實際工業應用中具有很大的潛力。

此外，該研究還對所製備的電極進行了詳細的表征分析。通過X射線衍射（XRD）技術，研究人員觀察到合成的MnFe?O?和MnFe?O?@CF的XRD圖譜與參考圖譜（JCPDS 74-2403）相符，顯示出晶體平面（111）、（220）、（311）、（222）、（400）、（422）、（333）和（440）的衍射峰。這些結果表明，MnFe?O?@CF電極成功地保持了MnFe?O?的晶體結構，同時碳織物的引入并未影響其基本特性。這進一步驗證了該電極在電化學處理過程中的可行性。

在處理過程的後期，研究人員還對有機污染物的降解途徑進行了分析。通過高效液相色譜（HPLC）技術，發現CA的降解途徑涉及其轉化為馬來酸等中間產物，最終實現完全降解。這種機制的明確揭示有助于進一步優化電化學處理條件，提高處理效率。同時，處理後的陰極回收金屬可以通過簡單的高溫處理（煅燒）得到經濟價值較高的NiO產品。這不僅實現了污染物的去除，還促進了資源的循環利用，符合可持續發展的理念。

總體而言，本研究提出了一種經濟實用、高效穩定的電化學處理方法，用於處理無電鍍鎳廢水中的Ni-CA複合污染物。該方法在去除污染物和資源回收方面均表現出良好的效果，為工業廢水處理提供了一種新的技術路徑。此外，研究結果表明，這種方法在實際應用中具有較高的可行性，能夠有效應對當前工業廢水處理所面臨的挑戰。因此，該研究對推動環境友好型工業技術的發展具有重要的理論和實踐意義。