《Waste Management》：Enhanced removal and recovery of heavy metals from contaminated soils by combining citrate extraction and electrochemical adsorption
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Weihao Chen|Yi Wang|Tao Lu|Ziyi Liu|Shengjun Deng|Guohong Qiu•研究团队开发了一种以渗滤液为处理核心的柠檬酸萃取-电化学回收系统。•该柠檬酸与电化学技术相结合的系统可实现渗滤液处理及金属回收。•镉、锌和铅主要通过阴极水解
Weihao Chen|Yi Wang|Tao Lu|Ziyi Liu|Shengjun Deng|Guohong Qiu
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研究团队开发了一种以渗滤液为处理核心的柠檬酸萃取-电化学回收系统。
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该柠檬酸与电化学技术相结合的系统可实现渗滤液处理及金属回收。
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镉、锌和铅主要通过阴极水解/沉淀作用被去除。
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砷的去除则主要依靠铁介导的吸附与沉淀作用。
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该系统可实现闭环修复，且电极具有较好的重复使用性。
引言
随着社会经济活动和工业化进程的快速发展，土壤重金属污染已成为全球性的重大环境问题（Yan等人，2022；Yang等人，2025）。重金属具有移动性低、毒性高且持久性强的特点，往往会通过静电吸附、表面络合以及共沉淀作用固定在土壤表面，这使得受重金属污染的土壤难以得到有效修复（Xu等人，2019）。此外，重金属还会通过土壤-植物途径进入农产品中，从而对食品安全和人类健康构成严重威胁（Alam等人，2025；Guo等人，2023）。因此，迫切需要开发高效、低成本且可持续的技术，用于修复受污染场地中的重金属污染土壤（Zheng等人，2024b）。
土壤清洗被认为是最有效且最具可持续性的原位修复方法之一，因为它能够在受控条件下最大程度地将重金属从土壤中分离出来（Alam等人，2024；Zhang等人，2020）。二乙三胺五乙酸、乙二胺四乙酸和乙二胺二琥珀酸等合成螯合剂已被广泛用作土壤清洗剂，但因其成本高昂且生物降解性较差，限制了其实际应用（Ni等人，2025；Yang等人，2022a）。相比之下，柠檬酸这类小分子有机酸更具环境友好性，因为它们易于生物降解，且含有大量羧基，能够有效络合重金属（Ke等人，2020；Liu等人，2022）。不过，柠檬酸清洗过程中不可避免会产生含有金属-柠檬酸络合物的渗滤液，这成为其大规模应用的障碍。因此，柠檬酸辅助土壤清洗的可行性不仅取决于土壤的净化效果，还取决于渗滤液的净化能力以及金属的回收效率。
电化学技术在处理含有络合重金属的废水方面展现出巨大潜力，比如土壤渗滤液，因为该技术能够促进金属-配体络合物的转化，进而实现金属离子的去除或回收（Zheng等人，2024a；Zhu等人，2019）。因此，将电化学处理与柠檬酸清洗相结合，可以为渗滤液净化和金属回收提供一条同步进行的路径（Song等人，2022）。值得注意的是，经过柠檬酸清洗后的渗滤液中通常含有大量铁元素，因为柠檬酸能够强烈络合三价铁，并促进土壤中铁羟基氧化物的溶解，从而使溶解态铁进入渗滤液中。在电化学作用下，阴极引发的碱化作用可促进铁的水解，进而形成铁羟基氧化物沉淀，这些沉淀可通过吸附、共沉淀和表面络合作用进一步增强重金属的去除效率（Huang等人，2021；Yang等人，2022c）。然而，电化学处理过程中，原位生成的铁羟基氧化物在促进砷等阴离子污染物去除方面的作用机制目前尚不完全清楚。填补这一知识空白对于开发用于大规模修复重金属污染土壤的集成型土壤清洗-电化学系统具有重要意义。
为应对这些挑战，本研究开发了一种以渗滤液为处理核心的闭环柠檬酸萃取-电化学回收系统，用于修复受重金属污染的土壤。该系统将可生物降解的柠檬酸辅助萃取技术与原位电化学处理相结合，使得多种重金属的释放、渗滤液的净化以及后续金属的回收能够在同一体系中同步进行。研究重点分析了柠檬酸清洗过程中释放的铁在电化学处理过程中对砷去除的促进作用，同时明确了阳离子金属和砷的主要去除途径。为了提升研究的实际应用价值，本研究采用了2.5公斤的较大土壤量作为实验材料，以此展示该耦合工艺的台式试验效果，而非完全优化后的中试系统。此外，研究还评估了电流强度的影响，通过XRD、FTIR、SEM-EDS、XRF和XPS等技术对电极表面的产物进行了表征，同时分析了电极的再生能力和运行稳定性。总体而言，本研究旨在为一种兼具理论深度和实践价值的可规模化、可持续的修复策略提供依据，该策略将土壤净化、渗滤液处理和金属回收有机结合起来。
章节要点
材料与化学品
土壤样本采集自中国湖北省大冶市一处废弃建筑周边受污染区域的20厘米深处。采集到的土壤经风干、均质化处理后，再通过2毫米筛子过滤。土壤的关键理化性质，包括pH值、阳离子交换容量、土壤质地以及总重金属浓度，详见补充信息中的表S1。相应的分析方法则在文中有所描述
土壤修复与渗滤液中重金属的去除
如图S1所示，本研究采用了土壤清洗与电化学吸附相结合的方法来修复受重金属污染的土壤。图1a展示了耦合处理过程中渗滤液的演变情况。土壤清洗后，土壤中镉、锌、砷和铅的含量分别从105、1504、388和366毫克/千克降至46、1055、306和307毫克/千克，对应的去除率分别为57.1%、29.9%、21.1%和16.1%（见图1b）。土壤清洗之后，镉的含量
柠檬酸从土壤中提取重金属的机制
阳离子重金属通常通过非特异性吸附和特异性吸附两种机制与土壤结合（Yu等人，2023）。非特异性吸附主要发生在带负电荷的阳离子交换位点上，这使得这些金属更容易被提取出来。而特异性吸附则是重金属与铝/铁/锰氧化物或有机物发生络合反应，这会显著降低其在土壤基质中的移动性和生物有效性（Borggaard等人，2019；Hu等人，2024
结论
本研究开发了一种集柠檬酸萃取与电化学回收于一体的系统，用于修复受重金属污染的土壤，并同时净化由此产生的渗滤液。使用0.1摩尔/升的柠檬酸钠对2.5公斤的受污染土壤进行清洗，随后在0.50安培的电流下进行电化学处理，可使土壤中镉、锌、砷和铅的含量分别从105、1504、388和366毫克/千克降至46、1055、306和307毫克/千克，这一数值已达到土壤风险控制标准
CRediT作者贡献说明
Weihao Chen：论文撰写——初稿撰写、实验研究、数据正式分析。Yi Wang：论文撰写——审阅与编辑、实验研究。Tao Lu：论文撰写——审阅与编辑。Ziyi Liu：项目指导、实验研究。Shengjun Deng：论文撰写——审阅与编辑。Guohong Qiu：项目指导、项目管理、概念设计。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了以下项目的支持：湖北省科技计划项目（项目编号：2025BCB098），湖北省自然科学基金（项目编号：2026AFA021），国家自然科学基金（项目编号：42477023和42077133），国家关键研发计划（项目编号：2023YFC3709804-01），“万人计划”领军人才——国家高层次人才特殊支持计划，以及华中农业大学
