电化学芬顿法耦合可生物降解铁螯合剂去除城市处理废水中聚苯乙烯纳米塑料

《Journal of Environmental Management》：Electro-Fenton removal of polystyrene nanoplastics from urban treated wastewater using a biodegradable iron chelating agent

　　

城市处理废水中的纳米塑料因其胶体稳定性及对常规处理工艺的抗性，构成新兴环境挑战。研究人员考察了阴极电生成过氧化氢（H2O2）在合成城市处理废水中降解聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）的作用。评估了三种电化学构型：阴极H2O2电生成的电化学氧化（EO-H2O2）、酸性pH下的电芬顿（EF）及近中性pH下以Fe(III)-EDDS为铁螯合剂的EF。碳毡（CF）阴极在EO-H2O2体系中表现最佳，以0.75 kWh gTOC?1去除78.75%总有机碳（TOC）。酸性EF条件下，NPs吸附于CF表面（SEM成像与有机碳监测证实），使真实降解效率评估复杂化。近中性EF-EDDS体系同时克服该局限，在0.1、0.3和0.5 A下分别实现NPs最低消除率51%、86%和91%，对应TOC去除75.8%、88.8%和91.6%。TEM分析显示处理后颗粒丰度显著下降及结构降解。EF-EDDS体系比能耗0.10–0.87 kWh gTOC?1，较同基质可比条件下常规电化学氧化降低最高14倍，且比文献对比体系比能耗更低、矿化更高，同时承认反应器构型、操作条件与废水组成的差异。仍需真实废水验证以确认结论的普适性。

研究背景方面，塑料年产量已超4亿吨，大塑料碎片化为微塑料（MPs，<5 mm）与纳米塑料（NPs，<1 μm），后者因极小粒径、高比表面积与强胶体稳定性，在废水处理厂（WWTPs）中易逃逸至受纳水体，常规混凝-絮凝、膜过滤与生物处理均难以矿化此类稳定胶体。电化学氧化（EO）依赖硼掺杂金刚石（BDD）阳极产生羟基自由基（HO^•）可矿化难降解有机物，而碳质阴极两电子氧还原可原位电生成H₂O₂，经电芬顿（EF）活化产生HO^•拓展自由基空间分布；但传统EF需酸性pH以维持铁溶解，且酸性下NPs易吸附碳毡阴极造成“表观去除”干扰真降解判定。为在接近真实废水pH下维持铁催化活性，研究人员引入可生物降解螯合剂EDDS形成Fe(III)-EDDS可溶性络合物，在合成城市处理废水基质中系统比较三种电化学构型对聚苯乙烯NPs的矿化贡献。该研究发表于《Journal of Environmental Management》。

主要关键技术方法上，研究人员搭建2 L批次反应器，采用BDD网状阳极，对比不锈钢（SS）、玻璃碳（VC）与碳毡（CF）三种阴极在持续曝气（250 mL min^?1）下的H₂O₂电生成能力；设置EO-H₂O₂（近中性pH 6.5）、酸性EF（pH 3，加FeSO₄）与近中性EF-EDDS（pH 6–7，Fe₂(SO₄)₃与EDDS按1:1摩尔混合）三套体系，电流0.1–0.5 A；以TOC为综合矿化指标（无过滤、含悬浮NPs），辅以碘量法测总氧化剂、钒酸铵比色测H₂O₂、1,10-菲啰啉测溶解铁、HPLC测Fe(III)-EDDS、SEM观察阴极纤维附着、TEM观察NPs形貌丰度、LC-ESI-QTOF-MS鉴中间体；样本为合成城市处理废水（含20 mg L^?1 PS-NPs，初始TOC 34.52 mg L^?1，EF-EDDS组因络合物碳贡献升至74.52 mg L^?1）。

研究结果部分，阴极材料影响小节中，CF阴极比VC、SS具更高比TOC去除效率（42.47–17.73 mg TOC Ah^?1）与终去除率78.75%，对应溶液累积H₂O₂峰值1.175 mmol L^?1；VC虽累积更高（1.590 mmol L^?1）但因无三维多孔结构致孔内HO^•产率低，总体矿化弱于CF；SS几乎不累积H₂O₂（≤0.11 mmol L^?1），证明两电子氧还原选择性依赖碳质阴极。酸性电芬顿小节中，pH 3下加0.3–0.5 mM Fe²⁺终TOC去除73%–75%，优于无铁对照53%；但前60 min TOC骤降20%–30%而乙酸浓度不变，SEM显示CF纤维60 min即附着NPs、360 min减少，无电流吸附实验证实酸性促NPs吸附、中性不吸，说明初期TOC下降含物理吸附贡献而非纯氧化。近中性EF-EDDS小节中，0.1/0.3/0.5 A终TOC去除75.8%/88.8%/91.6%，NPs消除最低51%/86%/91%，TOC曲线平滑无初期突降，TEM显示颗粒丰度降低与结构破碎；比能耗0.10–0.87 kWh gTOC^?1，较同条件EO-H₂O₂（0.75 kWh gTOC^?1）最高降14倍。讨论部分指出，近中性EF-EDDS通过阴极Fe(III)-EDDS还原为Fe(II)-EDDS再与H₂O₂发生类芬顿反应产HO^•，规避酸性吸附干扰，在复杂合成基质中实现NPs真矿化；结论确认阴极电生成H₂O₂经可生物降解EDDS螯合铁活化是近中性废水NPs处理的高效路径，但合成基质未全模拟真实出水，后续须以实际废水效验普适性。