《Process Safety and Environmental Protection》：Electrosorptive Remediation of Heavy Metals and Radionuclides: Current Advances in Material Design and Fabrication
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摘要人为排放的放射性核素和重金属离子加剧了全球水污染，带来了严重的生态风险，这促使人们开发出了选择性去除和资源回收策略。迄今为止，用于电吸附（电容去离子化，CDI）的电极材料已扩展到碳复合系统、MXenes、过渡金属氧化物/硫化物、金属有机框架和共价有机框架。传统的CDI反应器结
摘要
人为排放的放射性核素和重金属离子加剧了全球水污染，带来了严重的生态风险，这促使人们开发出了选择性去除和资源回收策略。迄今为止，用于电吸附（电容去离子化，CDI）的电极材料已扩展到碳复合系统、MXenes、过渡金属氧化物/硫化物、金属有机框架和共价有机框架。传统的CDI反应器结构已经被创新性地优化为包括膜电容去离子化、流动电极电容去离子化和混合电容去离子化在内的先进架构。本文通过文献计量学映射和网络分析，描绘了电吸附研究的演变过程，阐明了其基本机制，并确定电极性能是决定处理效率的关键因素。该综述系统地评估了基于碳的材料、法拉第电极以及新型复合电极的最新进展，验证了它们对放射性核素的高度选择性和吸附能力，并总结了该领域的前沿技术趋势，同时深入分析了长期存在的阻碍电吸附技术实际应用的瓶颈。这项工作为该领域的热点研究提供了理论参考，有助于开发用于可持续水净化的先进电吸附技术。
引言
随着水环境成为从有机污染物到放射性核素等各种有害物质的储库，废水处理仍然面临前所未有的挑战（Huang等人，2025b；Li等人，2025；Xia和Hu，2018）。这些污染物对人类健康的危害已在文献中得到充分证实，凸显出这是一个严重的环境和公共卫生危机（Münzel等人，2025）。在这一背景下，重金属和放射性核素尤为突出，因为它们既具有毒性又具有生物累积性（Zhang等人，2024b）。受污染的农田会导致作物产量下降，造成经济损失。此外，即使这些污染物在环境中的含量极低，它们仍可能通过食物链在生物体内积累，最终对人类健康构成重大风险，因此需要紧急干预（Jia等人，2019）。过度接触重金属离子和放射性核素可能导致消化系统、肾脏系统和中枢神经系统等关键器官系统的急性毒性反应。长期暴露还与辐射诱发癌症、再生障碍性贫血、白内障和视网膜脱离等严重疾病相关（Mao等人，2022；Yin等人，2025；Zhang等人，2024b）。因此，加强对这些污染物的监测和有针对性的去除已成为环境保护的重要任务。
为了减轻重金属和放射性核素的污染，已经采用了多种传统的技术，从经典的沉淀和离子交换到先进的膜过滤、吸附和电化学过程（图1）。其他值得注意的方法包括氧化还原反应、液-液萃取和生物处理（Ma等人，2021；Nor Azman等人，2024；Xu等人，2022）。然而，这些修复方法通常效率低下且反应速度慢，无法有效处理含有重金属和放射性核素的废水（Chen等人，2025）。电吸附，通常称为电容去离子化（CDI），是一种结合了电化学原理和吸附原理的界面分离技术（Chen等人，2025；Gao和Chen，2024；Liu等人，2023）。电吸附通过利用静电相互作用提高吸附性能，同时通过电压控制的解吸实现电极的可持续再生，从而实现成本效益高的回收（Yussuf等人，2024）。如表S1所示，电吸附相对于传统方法的优势使其更适合去除废水污染物。
CDI主要通过电双层（EDL）内的离子电吸附来发挥作用。EDL理论起源于Helmholtz模型（1879年），经过Louis Gouy和David Chapman（1910-1913年）的修改，最终形成了1924年后广泛使用的Gouy–Chapman–Stern模型（Tauk等人，2024）。在1946年的早期电吸附研究之后（Sivasubramanian等人，2023），该技术于1996年被正式命名为“CDI”（Qian等人，2025）。近年来，在这一基础上，电吸附已经成为一种突出的水处理技术，尤其是在去除重金属离子和放射性核素方面。Fu等人开发的一种可再生的磷酸功能化聚苯胺/活性炭（P-PANI/AC）复合电极能够在36小时内将钍（Th）的浓度从3014毫克/升降至0.035毫克/升，并且可以在0.5摩尔硫酸中再生（Fu等人，2025）。Zhang等人报道了一种聚多巴胺改性的煤灰（PDA-CFA）复合电极，在1.2伏特电压下实现了91.08%的六价铀去除效率和416.96毫克/克的吸附容量。使用低成本且丰富的煤灰为放射性废水处理提供了一种经济可行的策略（Zhang等人，2025a）。Yang等人提出了一种自交联的壳聚糖凝胶，该凝胶经过2-膦丁烷-1,2,4-三羧酸（PBTCA）修饰，在-0.6伏特电压下表现出631.94毫克/克的六价铀吸附容量，并具有优异的电化学性能和循环稳定性。这些先进电极所展示的能力突显了电吸附在解决与有效、经济和可持续提取重金属和放射性核素相关的关键环境工程挑战方面的巨大潜力。
本综述旨在建立CDI技术的全面认知框架和研究背景。它详细阐述了基于该技术内在原理的核心结构组件及其协同工作机制（图S1）。同时，综述系统地追踪了从传统的电双层电容CDI到改进型和混合系统的关键发展里程碑，以及新兴的衍生技术，如膜电容去离子化，从而描绘了该领域的演变轨迹和未来方向。此外，本文还梳理了CDI从基础原理到工程应用的发展过程，系统分析了影响其净化性能的多维因素——从电极材料类型到电压、浓度、pH值和温度等关键操作参数。为了推进实际应用，综述将进一步探讨CDI在去除重金属和放射性核素方面的前沿发展，重点关注高选择性电极材料和集成工艺配置。通过综合这些进展，它为将CDI从有前景的实验室技术转变为实际的水处理解决方案提供了连贯的框架。
部分摘录
数据统计与分析
关于电吸附（CDI）技术去除重金属和放射性核素的研究显著增加，如图2（a–b）所示的年度出版物数量稳步增长所证明的那样。这一上升趋势表明，由于广泛的污染控制需求和强大的技术适应性，该领域已成为水处理研究中快速发展的重点领域。同时，这种增长也反映了……
原理和工艺参数
电吸附的基本原理依赖于电极-电解质界面处电双层的形成，吸附过程主要由静电作用和偶极-偶极相互作用驱动。相关研究致力于优化这一过程以提高吸附效率和容量（Costa等人，2021）。典型的CDI电池包含两个平行多孔电极（图4）。当施加电压时，生成的电场会驱动
电极材料
尽管电吸附性能受到施加电压、初始浓度、溶液pH值和反应温度的影响（Chen等人，2025；Cuong等人，2024；Gao和Chen，2024；Li等人，2024b；Ma等人，2018；Salari等人，2022；Shan等人，2024；Wang等人，2024f），但其主要取决于电极材料。电极材料的优化一直是促进关键能量存储反应和可持续化学合成的研究重点（Lucky和Schreier，……
重金属去除
电吸附利用无化学添加剂操作和电场驱动的选择性去除重金属离子，已成为一种有前景的技术（Xu等人，2023）。CDI在处理含重金属的废水方面取得了显著的技术进展，主要从简单的电吸附发展到了选择性回收和集成解毒等功能。Wei等人展示了有效的、可回收的电吸附去除……
总结与展望
本综述全面探讨了电吸附和电容去离子化（CDI）技术，涵盖了它们的基本机制、性能提升策略、材料进展和实际应用。尽管取得了相当大的进展，但将电吸附从实验室研究转化为工业应用仍受到多个障碍的制约。其中，电极材料有限的结构和功能稳定性是核心技术问题
(Lin等人，2024b；Ma等人，2019b；Zhang等人，2025b)
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52570071、42230719和22276043）、广州市科技计划（2025A03J3090和2023A03J0035）以及国家核电安全技术与设备重点实验室开放基金（007-EC-B-2026-C76-P.T.30-02917）的财政支持。
Jiaxue Zhao|Miaoling Chen|Ying Zhou|Giin Yu Amy Tan|Shuwen Wang|Hui Sun|Minhua Su|Diyun Chen
