利用脉冲电化学技术与生物炭吸附剂结合从储备溶液中去除汞（II）

《ChemistryOpen》：Mercury (II) Removal From Stock Solutions Using Pulsed Electrochemical Technique Coupled With Biochar Adsorbent

　　**摘要**

水中的汞（Hg）是一个主要的环境问题，因为它具有高毒性，并且会在食物链中生物累积。传统的处理方法在去除汞方面效果有限。本研究探索了一种结合脉冲电氧化（PEO）和生物炭吸附的方法，以提高从合成水中去除汞的效率。生物炭由农业废弃物制成，经过优化后具有较强的氧化能力。batch吸附实验评估了生物炭吸附剂的性能，分析了剂量、接触时间和初始汞浓度等因素。PEO与生物炭吸附的结合使用显著增强了从合成水中去除汞的效果。为了达到最大的去除效果，采用了PEO方法，电极间距分别为0.5厘米和1厘米。通过添加氯化钠可以提高过程的导电性。实验结果表明，单独使用PEO时，汞的去除效率为97.37%和96.24%；而当PEO与磁性生物炭结合使用时，在电极间距为0.5厘米和1厘米的情况下，去除效率分别达到98.92%和97.899%。在pH值为6.03、反应时间为34.15分钟、生物炭浓度为1.55克/升、电流为0.43安培、电能消耗为0.45千瓦时/立方米以及汞浓度为227毫克/升的条件下获得了这些结果。根据实验结果，使用PEO和生物炭吸附的组合可以有效去除水溶液中的汞（II）。

**图形摘要**

脉冲电氧化与磁性生物炭吸附结合使用，从合成水中去除了高达98.9%的汞（II）。最佳条件（pH-6.03、反应时间34.15分钟、生物炭浓度1.55克/升、电流0.43安培、汞浓度227毫克/升）下的去除效率超过了单独使用电氧化的效果，显示出一种协同且节能的处理方法。

**1 引言**

所有生物都依赖于水，水也是人类生存除空气之外最重要的资源。然而，水资源可能通过自然过程和人类活动受到污染[1]。工业、市政、采矿、农业等活动通过排放含有污染物的废水导致水污染[2]。这些污染物包括重金属、农药和多环芳烃，对环境和人类健康构成威胁[3]。工业活动排放的化学物质、酸、碱和有害重金属会污染水[4]。城市化和工业化导致了大量未经处理或处理不当的废水的产生，这些废水中通常含有可导致癌症、器官损伤、关节问题甚至死亡的重金属[5, 6]。汞（Hg）在重金属中尤其令人担忧，因为它具有高毒性和在环境中的持久性[7]。工业废水是汞污染的主要来源，因为其中常常含有高浓度的镉、铜、汞、镍和铅等重金属[8, 9]。汞是一种有害污染物，在全球范围内普遍存在，主要由低水平的工业活动引起[10]。它对鱼类种群、水生生物和人类健康都有影响。当水发生化学和物理变化，如颜色、气味或化学成分的改变时，就变成了废水[11]。环境中重金属的积累已成为一个紧迫的问题，因为它们可能达到危险水平，对生物和非生物系统都构成风险[7]。各种行业中使用汞导致了广泛的环境污染[12, 13]。

在工业制造过程中，废水处理正变得越来越重要[14]。已经提出了多种方法来去除水中的重金属[15]。这些方法包括生物、物理、化学、高级氧化和电化学技术。然而，由于重金属不易生物降解和潜在的毒性，从废水中去除重金属仍然具有挑战性[16, 17]。沉淀、离子交换和吸附是常用的技术，但它们通常需要大量的时间和资源以及复杂的解决方案[18]。电氧化（EO）是一种高效去除市政废水中有机化合物的方法，与传统的微生物消化方法相比，可以显著节省成本并降低能耗[19]。电凝聚过程通过产生铝（Al）和铁（Fe）等不稳定剂，中和电荷，并使颗粒结合成团块，从而有效地从水中去除污染物，且不需要使用化学物质[20]。通过将阳极溶解在水中，释放金属离子，中和悬浮颗粒并形成更大的絮状物[21]。利用电流进行的电氧化（EO）过程在水中产生强氧化剂，将有机和无机污染物分解成危害较小的形式[22]。它被用于危险物质的降解、顽固有机污染物的去除、水的消毒和工业废水的处理[23]。EO过程涉及水中污染物的直接氧化，生成羟基自由基或氯等活性物种，从而降解有机污染物、消毒水并处理废水[24]。脉冲电氧化（PEO）是在电流以脉冲形式而非连续形式施加时发生的[25]。脉冲可以防止电极钝化，这是电极表面形成副产物层的一个常见问题，从而降低效率并提高传质效果[26]。该过程可以针对各种污染物，包括有机化合物、重金属和病原体[25]。自由基和其他氧化剂将这些污染物分解成二氧化碳、水和矿物盐等危害较小的物质[27]。这种方法已被证明是一种高效且经济有效的处理和修复重金属污染废水的方法[28, 29]。PEO通过施加脉冲直流电来诱导氧化反应，从而去除和转化污染物，将其转化为危害较小的形式[28, 29]。该技术在减少污染水平方面显示出潜力，特别是对于去除废水中的汞[30]。PEO是一种有前景的废水处理方法，但其可扩展性对于大规模的工业和市政应用至关重要[21]。影响可扩展性的因素包括系统设计和配置、能源需求、运营成本以及与现有基础设施的整合[32]。耐用的电极材料和模块化反应器设计可以提高效率和使用寿命。能源效率和电源供应也非常重要。与现有基础设施的整合可以促进可扩展性[33]。该过程涉及向基于废水的电极施加脉冲电流，从而产生能够氧化汞并将其转化为危害较小形式的活性物种[31, 34]。

为了产生能够将汞氧化为危害较小形式的活性物种，向电极施加脉冲电流。如下反应所示，汞可以被氧化，产生活性氧物种（ROS），被羟基自由基氧化，并沉淀出汞化合物[35, 36]。反应结果可能因具体条件和所用电极材料而有所不同[37, 38]。在没有生物炭的情况下，脉冲EO会产生以下反应：

**氧气释放反应：**
(1)

**羟基自由基形成：**
(2)

**氧化反应：**
(3)

**沉淀汞化合物：**
(4)

**结合脉冲电化学氧化（PECO）和磁性生物炭可以提高汞的去除效率和可扩展性[41]。磁性生物炭吸附污染物，减少电极污染，并减轻PEO的负担，同时PEO降解这些污染物[42]。这种方法可以实现更高的效率、更低的运营成本，并更好地适应不同的废水规模和类型。该过程包括ROS的形成、汞的氧化以及吸附到生物炭上，从而提高汞的去除效率[29]。**

**2.2 所需化学品**

实验程序涉及使用化学品来制备合成废水并进行分析。使用的化学品包括氯化汞（HgCl2）、盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、硫酸（H2SO4）和氯化钠（NaCl）。蒸馏水被用作制备溶液的溶剂。通过将氯化汞（HgCl2）溶解在蒸馏水、硫酸和氢氧化钠中，制备了1000毫升的汞储备溶液。所有这些化学品和试剂均为分析级，从AE Chemicals Trading P.L.C（埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴）购买。用于batch吸附实验的生物炭吸附剂由农业废弃物通过热解得到，以其高吸附能力而闻名[50]。

**2.3 实验装置**

PEO过程在一个专门设计的电化学电池中进行，以评估其处理重金属污染废水（合成废水）的效果。如图1[52]所示，该过程在一个批处理式的透明树脂圆筒反应器中进行，其中使用的是尺寸为15厘米（长度）× 5厘米（宽度）× 1毫米（厚度）的扁平矩形金属电极。随后加入氯化汞储备溶液。烧杯内还装有磁性搅拌棒，其中含有废水样本。废水样本与一个Al电极一起放置在PEO电池中，该电极连接到阴极和阳极。电极之间的距离分别为0.5厘米和1厘米。接下来，使用电线将阳极和阴极电极连接到直流电源上。通过改变所有操作参数（pH值、电流、时间和电极间距（ED）来评估汞（Hg）的去除率和能耗。在本实验中，使用了铝制成的电极。图1。

脉冲电化学辅助生物炭实验装置。PEO过程包括将电极浸入汞储备溶液中，并使其暴露于周期性电场中[53]。在指定的接触时间的第一部分，即PEO反应时间内，第一个电极连接到阳极。在反应时间的后半部分，通过交换阳极和阴极，电极被切换连接到阴极。在整个过程中持续搅拌以确保氧化过程均匀分布。实验过程中通常对汞储备溶液施加直流电，并根据反应时间定期更换阳极和阴极。

2.4 样本大小

通过按照实验室比例将氯化汞溶解在蒸馏水中，制备了最准确的人造废水处理模型。这种化学物质在不同时间点制备。此外，根据实验次数，共产生了大约60升的人造废水。实验次数决定了样本大小（N）[49]。

其中N表示实验次数，n表示重复次数（中心数），k表示研究中包含的不同组分的数量。最后，中心复合设计（CCD）模型最好通过专业软件设计（版本13.0）来解释。基于此，实验次数为60次，这与样本大小相等。有30次实验是在0.5厘米电极间距下进行的，30次是在1厘米电极间距下进行的。处理储备溶液后，去除效率按以下公式估算：

电能消耗（kWh/m3）[54, 55]

2.5 实验设计与统计分析

响应面方法（RSM）是一种用于研究过程因素与响应之间关系的方法。因此，术语“反应”常用来定义性能统计量或质量方面。输入变量，也称为自变量，受科学家或工程师的控制[56]。响应面方法是一组利用实验方法确定理想操作条件的技术。通常，这涉及进行一系列实验，并使用一个实验的结果来驱动下一个实验[57]。在本实验中，始终向储备溶液中添加了1.55克/升的生物炭。如表1所示，这些输入提供了实验次数、电流、pH范围、持续时间以及RSM程序生成的电解质。

2.5 实验设计与统计分析

响应面方法（RSM）是一种用于研究过程因素与响应之间关系的方法。因此，“反应”一词常被用来定义性能统计量或质量方面。输入变量，也称为自变量，受科学家或工程师的控制[56]。响应面方法是一组利用实验方法确定理想操作条件的技术。通常，这涉及进行一系列实验，并使用一个实验的结果来驱动下一个实验[57]。在本实验中，始终向储备溶液中添加了1.55克/升的生物炭。这些输入，如表1所示，提供了实验次数、电流、pH范围、持续时间以及RSM程序生成的电解质。表1显示了在1厘米和0.5厘米电极间距下，通过电化学氧化过程去除储备溶液中汞的效果。

2.6 生物炭吸附剂

生物炭吸附实验以批处理模式进行。每次实验运行时，向1升制备的人造氯化汞废水中加入预定量的生物炭吸附剂。然后将瓶子放在磁力搅拌器上，在吸附和PEO过程中进行搅拌。改变生物炭吸附剂与废水之间的接触时间，以确定最大去除汞（II）离子的最佳持续时间。通过用去离子水稀释人造氯化汞废水来调整废水中的汞（II）离子初始浓度以及生物炭吸附剂的用量。生物炭用量是指添加到废水中的生物炭吸附剂的重量，通常以每单位体积的克数表示。

2.6.1 生物炭制备

生物炭是利用农业废弃物（特别是稻壳）通过热解过程制备的。原始生物质原料被收集、空气干燥并切碎成较小的颗粒。然后在实验室规模的热解反应器中，在500-700°C的无氧条件下进行热解。热解过程持续2-3小时，以确保生物质完全转化为生物炭。最后，每次实验运行始终添加1.55克/升的生物炭。使用近似分析方法分析了生物炭的物理化学特性。生物炭的含水量为7.07%，灰分含量为5.22%，这可能是由于吸附剂中残留的无机化合物所致。挥发性物质和固定碳的含量分别为21.26%和66.45%。高固定碳值表明其石墨化程度较高，官能团较少，这可能意味着较低的AC值对污染废水的吸附效果更好。

3 结果与讨论

3.1 在0.5厘米和1厘米电极间距下，通过PEO过程从废水中去除汞（II）

为了提高导电性，在校准过程中，每1克/升汞储备溶液中加入了1克NaCl和1.55克生物炭吸附剂。NaCl是一种电解质，在使用PEO技术从人造废水中去除汞（II）时会产生Na+和Cl?1[59]。为了达到所需的pH值，还使用了0.02N H2SO4和0.02N NaOH。在这个汞（II）去除实验中，使用了0.5厘米和1厘米间距的铝电极。表1显示了使用铝电极在0.5厘米和1厘米间距下该方法的去除效率总结。

3.2 使用PECO和生物炭吸附从水泥生产废水中去除汞（II）

水泥厂使用大量水进行冷却，如果处理不当，这些水可能会被重金属、颗粒物和其他污染物污染[60]。湿式洗涤器和排放控制设备中使用的水在燃烧过程中也可能被污染。除尘和清洁系统也可能含有悬浮颗粒、油脂和油。碱性物质、微量重金属和细小颗粒物也会污染工艺用水。水泥工业废水中的污染物包括悬浮固体、重金属、碱度、油和油脂以及硫化合物[61]。使用来自水泥工业的真实废水，测试并证实了PEO与生物炭结合作为吸收污染物的有效性。单独使用PEO时的最佳去除率分别为97.37%和96.24%，而当PEO与0.5厘米和1厘米电极间距的磁性生物炭结合使用时，去除率分别为98.92%和97.89%，同时采用电氧化。在pH 6.03、反应时间34.15分钟、1.55克磁性生物炭用量、0.43安培电流、0.45千瓦时电能消耗和227毫克/升汞浓度的情况下，收集到了这些结果。目前埃塞俄比亚的电力成本为0.015美元/千瓦时。

3.3 操作参数对汞去除率的影响

3.3.1 电极间距的影响

本研究使用了电极间距为0.5厘米和1厘米的铝板，并考虑了电极间距和汞去除效果等因素[62]。汞去除效果随电极间距减小而提高有多种原因。首先，电极之间的电场强度增加，使得汞离子与电极之间的相互作用增强[63]。其次，电极间距更近会产生更大的电流密度，从而加快电化学过程并提高汞去除效果[64]。第三，较短的电极间距缩短了汞离子的扩散路径，促进了更快的质量传递，从而提高了从储备溶液中去除汞的效率[65]。第四，电极间距减小使得电极间的电场分布更好，也减少了电极极化的效应。总之，为了有效地从储备溶液中去除汞，必须在 electrode间距和其他操作参数之间找到正确的平衡。

3.3.2 pH值的影响

液体的酸碱性程度被称为其pH值。碱度较高的水具有较高的pH值。pH值对于EC技术中的污染物去除非常重要。为了评估pH值对电凝聚过程去除杂质效率的影响，本研究将pH值范围从3调整到11，同时保持浓度、接触时间和电流（0.43安培）以及1.55克/升生物炭吸附剂的用量不变。从图2可以看出，处理后的pH值基于CCD设计的结果。当pH值从3增加到6时，1厘米电极间距下汞（II）的去除效率从95.56%增加到97.89%；但当pH值从6增加到11时，去除效率从97.89%下降到91.47%。最大去除效率在pH 6.03时实现。似乎中性条件会降低汞的去除效果。这是因为在中性介质中产生更多的氧化剂时，H+1的氧化还原电位显著降低。使用铝电极时，在中性pH值下可以获得最佳的COD去除效果[49, 51, 52]。

图2显示了使用PEO辅助生物炭吸附剂时pH值对去除效率的影响。当pH值从3增加到7时，1厘米电极间距下汞（II）的去除效率从95.86%增加到97.12%；但当pH值从6增加到11时，去除效率从97.12%下降到98.12%，因此在pH 6.03时达到最大去除效率97.12%。在0.5厘米电极间距下，当pH值从3增加到6.03时，汞的去除效率从97.69%增加到98.12%；但当pH值从6增加到11时，去除效率从98.12%下降到91.75%，因此在pH 6.03时达到最大去除效率98.92%。PEO在pH 6.03时具有最高的汞去除效果，原因有很多。这些因素包括pH值依赖性的干扰、理想的反应动力学、电极性能以及化学形态，它们都会影响汞的反应性和去除效率。根据pH值的不同，汞在pH 6.03时可能会以一种更容易被氧化的化学形式存在[66]。在这个pH值下，特定的电极电位和反应速率对PECO过程最为有利，该过程可能表现出优异的反应动力学[62, 67]。尽管这些考虑基于对电化学过程和pH效应的广泛理解，但废水中或溶液中存在的其他化合物可能会干扰汞的去除过程。

3.3.3 初始浓度的影响
在本研究中，如图3所示，过程中使用的浓度范围从100毫克/升到600毫克/升，同时保持生物炭吸附剂的剂量为1.55克/升不变，其他参数也保持不变。浓度评估了对PEO去除效果的影响。从图3可以看出，基于CCD设计的结果，当浓度从100毫克/升增加到600毫克/升时，1厘米电极距离（ED）下汞的去除率从97.14%下降到95.69%。当浓度从100毫克/升增加到600毫克/升且生物炭吸附剂的剂量保持为1.55克/升时，0.5厘米电极距离下汞（II）的去除率从98.69%下降到96.88%。因此，通过RSM优化后的最大去除效率为98.92%，对应的浓度为227毫克/升。PEO是一种通过电流从废水中提取污染物（如汞）的方法。由于电能被有效利用，当废水中汞的含量较低时，去除效率较高[68]。这是因为汞离子较少，使得电流能够更容易与之反应并中和它们[36]。

图3显示了使用生物炭吸附剂支持的PEO去除效率受到初始浓度的影响。在PEO过程中，汞离子（Hg2+）主要在阴极通过电化学还原生成元素汞（Hg0）而被中和。还原后，汞可能会从溶液中沉淀出来，沉积在电极上，或者进一步氧化形成不溶性的汞化合物[69]。由于电流的脉冲特性，PECO能够有效地中和受污染水或其他溶液中的汞离子[10]。在PEO过程中，电化学还原、氧化以及可能的沉淀过程共同作用，可以中和溶液中的汞离子（Hg2+）[15]。然而，当汞的含量较高时，可用的电能不足以氧化出水中所有的汞离子，导致去除效率下降[70]。

3.3.4 反应时间的影响
随着时间的推移，污泥的结构可能会发生变化，这会影响污染物的去除效果以及絮体的沉降能力和浮选性。根据研究，过长的反应时间会导致去除效率降低，这可能是由于金属氢氧化物在电极表面的吸附所致。在本实验中，接触时间范围为25分钟到45分钟。根据废水处理结果，如图4所示，接触时间过长或过短都会导致去除效率较低。实验方案中规定的接触时间为25分钟到50分钟。图4评估了接触时间对PEO过程去除效果的影响。当接触时间从25分钟增加到35分钟时，1厘米电极距离下汞的去除率从96.24%增加到97.89%。但是当接触时间从34.15分钟增加到45分钟时，去除率从98.92%下降到96.69%，因此在34.15分钟时达到的最大去除效率为98.92%。PEO是一种将汞离子转化为不溶性化合物的方法，从而可以从废水中去除。这一过程的有效性取决于汞的含量和电解持续时间。低浓度条件下，脉冲之间的相互作用更多，有助于提高氧化和去除的效率[54]。然而，过长的电解时间可能会抑制汞的去除，因为过度暴露于电脉冲可能导致副反应或副产品的产生[71]。

3.3.5 电流密度的影响
在本研究中，过程中使用的电流密度范围从0.25安培到0.65安培，这符合实验程序。电流密度评估了对PEO去除效果的影响。从图5可以看出，电流密度对去除效果的影响。当电流密度从0.25安培增加到0.43安培时，1厘米电极距离下汞的去除率从97.02%增加到98.26%。但是当电流密度从0.45安培增加到0.65安培时，去除率从98.26%下降到96.01%，因此在0.45安培时达到的最大去除效率为98.26%。当电流密度从0.43安培增加到0.65安培时，0.5厘米电极距离下汞的去除率从96.12%增加到98.81%。然而，当电流密度从0.43安培增加到0.65安培时，去除率从98.92%下降到98.81%，因此在0.43安培时达到的最大去除效率为99.03%。在PEO过程中，施加的电流或电压会影响去除效率。低电流/电压会限制活性物质的生成及其分解目标污染物的能力，从而导致反应动力学变慢，效率降低。另一方面，高电流/电压可能会导致电极钝化和不希望的副反应，但也可以加快反应动力学并促进活性物质的产生[51]。为了保证足够的反应动力学和活性物质的生成，同时减少副反应和电极钝化，建议使用适中的电流/电压值。选择最佳电流/电压范围时，还应考虑目标污染物和电极材料的独特性质[68]。

3.4 与其他现有技术的比较
环境受到无机污染物的严重威胁，尤其是重金属。这些有害且具有致癌性的重金属是非常危险的物质[72]。本研究使用了差分脉冲模式下的阳极再溶解技术来分析去除效果。当电极间距为3厘米且电流密度在2.5到3.125安培/平方分米时，去除效率超过99.9%；例如，当电荷负载分别为9.33和15.55飞摩尔/立方分米时，汞（II）的去除效率达到了99.95%。在这些条件下，将汞（II）溶液的pH值从3调整到7可以维持99%以上的清除效率[72]，通过原子吸收光谱测量确认氧化铁纳米颗粒（IOPN）对汞的去除效率约为70%[73]。我们的研究显示，从氯碱废水中去除汞的总效率在90%到98%之间，证明了微生物脱毒系统在现场废水处理中的卓越效果[69]。当初始汞（II）浓度为8毫克/升时，最大去除效率约为87%；对于6毫克/升和4毫克/升的浓度，去除效率分别约为73%和68%。随着初始汞（II）浓度的增加，去除效率也有所下降。这是因为氧化铁纳米颗粒（IOPN）的吸附位点最终会被吸附的汞（II）饱和，此时向溶液中添加更多的汞（II）几乎不会增加吸附量。在50毫克/升的浓度下，去除效率低于50%[73]。吸附是多年来开发出的许多用于去除汞的技术之一，它是一种有效的水净化方法，因为使用方便、相对便宜且简单。使用富含巯基的3D多孔超交联聚合物提取汞，去除效率可达98%[70]。与卫生指标的去除效率（84.7%-99.9%）相比，汞的总体去除效率较低（66.3%）。在二次处理阶段，汞的去除效率（29.5%）低于初次处理阶段（52.2%）[10]。研究发现，最佳脱色条件包括pH值为6、电流为300毫安、阳极间距为3厘米以及反应时间为40分钟。这些条件下的去除效率达到了98%的色度去除率和87%的化学需氧量（COD）去除率，其速率常数与第一级动力学模型相符。脉冲电氧化在1小时内最有效，可以降低总有机碳（TOC）、化学需氧量（COD）和生物需氧量（BOD）[74, 75]。

3.5 方差分析
方差分析（ANOVA）用于评估二次模型的统计显著性。模型的显著性及模型项的显著性是通过F检验和p检验来确定的。F值越大，p值越小，模型的显著性越高[76, 77]。相关系数（R2）用于评估多项式模型的拟合度，而F检验用于确定其统计显著性。p值（概率）用于以95%的置信度评估模型项的显著性。ANOVA是一种统计技术，通过将总方差分为与特定变异来源相关的较小组和组成部分来检验关于模型参数的假设。实验是随机进行的，以避免系统误差。独立变量的性能由二阶模型的系数决定，这些系数解释了研究参数的去除量。ANOVA的结果中，p值<0.0500表明二阶模型的显著性[58, 78]。

3.5.1 使用PEO在1厘米电极距离下去除汞百分比的ANOVA（二次模型）
如表2所示，模型的F值为458.57，表明模型具有显著性。这种大的F值仅因噪声而产生的概率为0.01%。p值小于0.05表示模型项具有显著性。在这种情况下，A、B、C、D、AD、BC、CD、A2、B2、C2、D2是显著的模型项。大于0.10的值表示模型项不显著。如果存在许多不显著的模型项（不包括那些维持层次结构所需的项），则可以通过模型简化来改进模型。拟合不足的F值为0.91，表明相对于纯误差，拟合不足的显著性不大。这种大的F值仅因噪声而产生的概率为58.19%。表2显示了使用PECO在1厘米电极距离下去除汞百分比的ANOVA结果。

3.5.2 使用PEO在0.5厘米电极距离下去除汞百分比的ANOVA（二次模型）
表3显示，模型的F值为467.57，表明模型具有显著性。这种大的F值仅因噪声而产生的概率为0.01%。p值小于0.0500表示模型项具有显著性。在这种情况下，A、B、C、D、AD、BC、CD、A2、B2、C2、D2是显著的模型项。大于0.10的值表示模型项不显著。如果存在许多不显著的模型项（不包括那些维持层次结构所需的项），则可以通过模型简化来改进模型。拟合不足的F值为0.93，表明相对于纯误差，拟合不足的显著性不大。有58.62%的概率，如此大的不匹配F值可能是由于噪声造成的。不匹配的F值为0.90，这意味着相对于纯误差而言，这种不匹配并不显著[58]。表3显示了使用二次模型在0.5厘米电解深度（ED）下汞去除百分比的ANOVA分析。来源如下：

| 拆分平方和 | 自由度（df） | 均方 | F值 | p值 |
|---------|----------|-------|-----|------|
| 模型 | | | 93.05 | <0.0001 |
| A-pH | | | 41.77 | <0.0001 |
| B-接触时间 | | | 2.09 | <0.0001 |
| C-浓度 | | | 4.59 | <0.0001 |
| D-电流 | | | 1.67 | <0.0001 |
| AB | | | 0.0416 | 0.1108 |
| AC | | | 0.0027 | 0.6749 |
| AD | | | 0.6823 | <0.0001 |
| BC | | | 0.1936 | <0.0023 |
| BD | | | 0.0658 | <0.0005 |
| A2 | | | 28.94 | <0.0001 |
| B2 | | | 8.76 | <0.0001 |
| C2 | | | 0.1363 | <0.0001 |
| D2 | | | 13.06 | <0.0001 |
| 残差 | | | 0.2174 | |
| 不匹配 | | | 0.1403 | |
| 纯误差 | | | 0.0771 | |
| 总相关系数 | | | 93.27 | |

3.6 适配度统计
该研究使用了ANOVA来分析模型方程及其各项的统计显著性，并通过决定系数（R2和Adj.R2）以及F检验来控制模型拟合质量[49]。通过预测R2和调整后的R2来验证模型的预测能力。模型的拟合优度是通过决定系数R2（相关系数）和调整后的决定系数adj R2来评估的。高相关系数（R2 = 0.99）以及模型解释响应变异性的能力证明了其在预测去除百分比方面的出色可靠性[58]。表4显示，预测的R2为0.99，与调整后的R2为0.99非常吻合；即两者之间的差异小于0.2。适当的精度可以衡量信号与噪声的比率，理想情况下这一比率应大于4。表5中的86.22表明信号足够强。该模型可用于指导设计过程。如表5所示，预测的R2为0.9974，与调整后的R2为0.99也吻合良好（差异小于0.2）。

3.7 模型参数及其交互作用的影响
3D表面和2D等高线图有助于揭示反应系统的条件并分析变量的影响。这些回归方程的图形表示有助于可视化实验范围内两个元素的响应函数。结果表明，所有组合的工艺变量都对合成废水中污染物的去除效率有显著影响。交互作用的效应表明，两个以上的独立变量可以影响污染物的去除效率。

3.7.1 时间、浓度和电流的交互作用
3D图表显示，在0.45安培和35分钟条件下，汞的去除效率很高。图表显示，将时间和电流从0.25安培增加到0.45安培可以提高去除效率。绿色点表示效率较低，而电流和时间的交互作用在1厘米电解深度（ED）下的电氧化过程中是显著的，如图6和图7所示。

3.7.2 接触时间、浓度和pH的交互作用
3D图表6和图7展示了汞（Hg）去除效率与pH值和接触时间之间的关系。图示显示，在pH值约为7且接触时间约为34.15分钟时，汞的去除百分比最高（97-98%）。最佳去除条件是在pH值介于9到11之间以及接触时间在25到45分钟之间时获得的。中性pH值对应较高的去除效率，这强调了pH值在该过程中的重要作用。虽然过长的接触时间会导致去除百分比降低，但最佳效率出现在大约34分钟的中间时间段，如图中的红色部分所示。总体而言，图表建议应优化pH值和接触时间以达到最高的汞去除效率[79, 80]。

3.8 回归方程
回归分析是一种统计方法，用于确定因变量与预测变量之间的关系[81]。它有助于确定结果的正确性和拟合的合理性。最终模型的最优值是通过数值方法获得的。实验考察了pH值、初始浓度、反应时间和电流密度，以找到实现汞最大去除效率的最优操作参数。在这些参数上进行了调整，以实现优异的去除效率。通过电凝聚作用发现了响应与独立变量之间的经验关联[82, 83]。

3.9 最优操作条件
研究发现，预测结果与实验结果呈线性关系，且吻合度良好，这表明模型的有效性。初始模型的预期R2为99.09%，并采用了反向消除法构建了一个简约且有意义的模型。预期模型的决定系数显示了响应与参数之间的二次关系，并具有良好的回归系数。使用Design Expert 13软件在最佳条件下得到了最优的PEO工艺，并进行了测试。实验结果与预测值非常接近，差异小于0.2，且没有显著差异（p > 0.05[33]）。模型准确预测了汞和其他污染物的去除情况，如图8所示。

3.10 能量消耗
PEO-Biochar系统在优化条件下以每立方米0.45千瓦时的特定能耗处理生物炭，这个能耗与大多数用于从各种水源和废液中去除汞的传统方法相当或更高效（例如，离子交换方法的能耗为0.5-2.0千瓦时/立方米，包括泵送和树脂再生；化学沉淀方法的能耗为0.2-0.8千瓦时/立方米，加上与化学反应相关的额外能源和成本）。此外，据报道，脉冲电凝聚过程的能耗高于脉冲PEO-biochar过程（例如，根据电流密度的不同，能耗为0.8-3.5千瓦时/立方米），这说明脉冲操作模式通过减少电极钝化并提高传质效率来提升效率，从而降低电能消耗，同时汞的去除率超过了98%，从而证明了PEO-biochar过程在能源效率上具有显著优势，并且在操作上具有竞争力；因此，这项研究为开发商业可行的PEO-biochar系统提供了实证支持。

3.11 经济可行性
在优化条件下，该过程的能耗为每立方米0.45千瓦时，根据埃塞俄比亚当前的电价0.015美元/千瓦时计算，相应的电费约为每立方米0.00675美元，表明运营成本较低。该系统使用铝电极作为牺牲阳极；尽管电极的溶解会增加材料更换成本，但PEO模式减少了电极钝化，从而延长了电极寿命并降低了维护频率。此外，所使用的生物炭是通过热解稻壳制成的，施用浓度为1.55克/升，表明可以使用低成本的农业废弃物作为原料，通过再生和再利用策略进一步降低成本。结合PEO和Biochar的系统还减少了电极污染和操作负载，可能降低长期运营成本。

4 结论
本研究探索了使用PEO和生物炭吸附去除合成废水中汞（II）的方法。结果表明，该方法有效促进了污染物的去除，通过特定参数实现了显著的去除效率。结果表明，单独使用PEO时的最佳去除效率为97.37%，而当PEO与磁性生物炭结合使用时（电极间距为0.5厘米和1厘米，pH值为6.03，反应时间为34.15分钟，生物炭用量为1.55克/升，电流为0.43安培，电能消耗为0.45千瓦时/立方米），去除效率分别为98.92%和97.89%。生物炭吸附剂对汞离子表现出显著的吸附能力，其优异的表面性质有助于与目标污染物发生强烈的相互作用。PEO和生物炭联合吸附的方法相比单独处理方法具有更高的去除效率。该研究的意义在于其在实际污水处理场景中的潜在应用价值，提供了一种可持续且环保的处理方法。然而，由于研究主要针对合成废水进行，并且在不同的废水条件下性能可能存在差异，因此需要进一步研究来评估所提出方法的可行性和有效性。未来的研究应着重于优化操作参数，确保生物炭吸附剂在大规模应用中的长期性能和稳定性。

作者贡献：
Werkne Sorsa Muleta：数据整理、资源提供、撰写——初稿撰写。
Lelisa Regea Mengistu：概念构思、方法学设计、验证、指导。
Madhappan Santhamoorthy：概念构思、方法学设计、验证、指导。
Perumal Asaithambi：数据整理、资源提供、撰写——初稿撰写。

利益冲突：
作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性声明：
支持本研究结论的数据可向相应作者提出合理请求后获得。