纺织工业是欧盟水消耗量第三大的产业部门，是全球水污染的20%的来源（欧洲议会，2024年）。纺织废水通常成分复杂，含有染料、表面活性剂、有机化合物和重金属等污染物（Roth等人，2023年）。为有效去除所有污染物，这些废水需要经过预处理（混合所有厂内废水并中和酸碱）、一级处理（混凝和絮凝或沉淀）以及二级处理（过滤和生物厌氧处理），这些步骤能够将大部分污染物从废水中分离出来形成污泥（Azanaw等人，2022年）。然而，这些处理方法往往无法完全降解复杂的有机污染物，尤其是在纺织染料废水中，这引发了环境问题，需要更高效的处理策略（Donkadokula等人，2020年；López-Grimau等人，2016年）。特别是纺织废水需要脱色处理，因为常规生物净化方法无法处理染料（López Grimau和Gutiérrez Bouzán，2014年）。
近年来，高级氧化工艺（AOPs），如电化学处理，作为传统物理化学处理的替代方案受到了关注，因为它们消耗试剂并产生需要管理的污泥。电化学氧化在降解难降解有机污染物（如苯）方面表现出高效（Oliveira等人，2007年；Ganiyu等人，2021年；Martínez-Huitle和Panizza，2018年），并提供选择性的降解途径（Qiao和Xiong，2021年）。例如，电化学氧化已成功应用于制革废水（Cruz-Rizo等人，2017年）、制药废水（Olvera-Vargas等人，2021年）、垃圾填埋场渗滤液（Luu，2020年）和纺织废水（Rodríguez-Narváez等人，2021年）等。此外，正如Buscio等人（2019年）提出的ECUVal系统所证明的，电化学处理可以通过再生纺织染色过程的剩余废水来有效减少纺织废水对环境的影响，使剩余盐分和水的回收利用率达到70%。
电化学处理不仅能去除污染物，还能在阴极通过水还原反应产生氢气。氢气因其在可再生能源转型中的潜在作用而受到越来越多的关注，尤其是当使用可持续能源产生时。目前，水电解是主要的氢气生产方法之一，但依赖于纯净水，因此人们正在研究替代和更丰富的水源，如海水（Asghari等人，2022年；Xie等人，2022年）和城市废水（Park等人，2013年；Yar?mtepe等人，2019年）。然而，这些努力仅取得部分成功。
将废水处理与氢气生产相结合为资源回收和循环经济策略提供了有前景的方法，目前有多种技术正在探索中（Aydin等人，2021年；Tak等人，2022年）。尽管具有这种潜力，但在电化学废水处理过程中产生的氢气往往被废弃，从而错失了可持续能源或化学原料回收的机会。在现有的电化学处理系统中，氢气要么被视为安全隐患，要么是干扰污染物氧化的副反应。在最佳情况下，氢气与电化学处理过程中产生的氧气一起用于辅助颗粒分离（Muddemann等人，2019年），而不是作为能源资源回收。
最近关于同时产生氢气的纺织废水电化学处理的研究越来越受到关注，尽管这些研究通常在低染料和盐浓度以及未经染色处理的合成废水中进行。一种方法是直接将电极浸入废水中。在这种情况下，氢气与其他在电池内产生的气体混合，其产量通过连接在电池上的氢气检测器测量得出（Naje等人，2016年）。在其他情况下，在阴极上方放置一个倒漏斗来捕获氢气，但仍存在氢气流失和被其他气体污染的风险（da Silva等人，2024年；Dermentzis等人，2020年）。还有一些研究使用霍夫曼伏安计（Cuesta-Mota等人，2024年；Pathak等人，2020年），H形几何结构允许将阴极产生的氢气与阳极产生的气体物理分离，但同时也意味着较大的电极间隙、有限的处理体积以及无法监测处理过程中的污染物去除情况。
虽然这些系统为废水处理过程中氢气回收的可行性提供了有价值的见解，但在工业规模应用方面仍面临重大挑战。首先，氢气与其他气体的混合存在危险，尤其是当混合物中含有氧气时，可能导致电池内氢气燃烧。其次，较大的电极间距降低了这些系统的能源效率。此外，由于阳极和阴极对废水导电性的依赖（通常较低），进一步增加了能耗。此外，这些系统由于氢气捕获不完全或被氧气和其他气体污染而造成大量氢气损失，从而导致效率问题和安全风险。因此，应研究更实用和可扩展的电化学反应器设计，作为工业应用的前奏。
为了解决这些问题，本研究提出了一种双室电化学电池。这种设计能够有效分离阳极和阴极，同时保持它们靠近以提高效率，防止氢气与其他气体混合，并实现高质量氢气的完全捕获。此外，它还允许使用其他水作为碱性电解质，从而提高反应性和能源效率。分离阳极和阴极室对于防止交叉污染和优化工艺效率至关重要。建议使用阴离子交换膜（AEM）作为分离器。其他分离器（如隔膜）不可用，因为它们的孔径会导致流体交叉，影响工艺的完整性（Brauns等人，2021年）。质子交换膜（PEMs）通常用于电解，但在处理或使用碱性和含盐废水时也不适用，因为它们设计用于纯净水和酸性环境（Madhav等人，2023年）。
本研究专注于实际纺织废水的电化学氧化，这些废水来自棉纤维染色过程，不同于大多数专注于处理合成废水的研究，因为染色废水未经染色过程直接接触织物（El Brychy等人，2021年；Titchou等人，2022年）。在各种纺织纤维中，棉纤维是使用最广泛的天然纤维，占全球消费量的39.5%（Uddin，2019年）。活性染料因其高亮度和耐色性而在棉纤维和其他纤维素纤维的染色过程中得到广泛应用。为了实现活性染料废水在纤维上的扩散和固定，工业界根据纺织行业最佳可用技术（BAT）的标准，使用特定的盐和碱（Roth等人，2023年）。因此，本研究选择了NaCl和Na?SO?作为盐，NaOH和Na?CO?作为碱。这样，纺织废水具有较高的着色度、导电性和碱性。然而，根据法规（西班牙政府1986年第849号法令和加泰罗尼亚政府2003年第130号法令），工业废水的排放受到限制，无论是排放到自然环境中还是下水道系统中。
本研究的目的是评估一种新型双室电化学反应器的效率，该反应器能在阳极处脱色活性染料废水，使其符合排放标准，同时在阴极处从碱性溶液中回收氢气。脱色目标分别为95%和99%，此时处理后的染料废水可最佳再利用，如ECUVal项目所示。评估了不同辅助剂对染料废水脱色效果的影响，并评估了电解质（NaCl vs Na?SO?）和碱（NaOH vs Na?CO?）的影响。对于在阴极产生的氢气，确定了产量和纯度。研究了电流密度和电极材料等关键参数，以平衡处理效率和能耗，从而提出最合适的配置。
