复合电絮凝-牛角瓜纤维过滤处理水中乳化油的优势

《ACS ES&T Water》：Advantages of Compound Electrocoagulation–Filtration with Calotropis procera for the Treatment of Emulsified Oil in Water

　　

研究人员评估了采用铝电极的电絮凝（EC）耦合天然牛角瓜（Calotropis procera，CP）纤维过滤处理水中乳化油的去除效果。集成的EC–CP系统优于单独过滤，且在提高流速时比单独EC保持更高效率。在最高测试流速6 mL·s–1下，该系统实现97 ± 2%的除油率（OR%T）、91 ± 1%的化学需氧量削减率（COD%T）和99.6 ± 0.4%的浊度去除率（Turb%T）。较高流速还将比能耗降至1.2 kWh·m–3，不到2 mL·s–1流速下数值的一半。总体而言，在高流速下运行使平均能源成本（Cenergy）降低72%、运行成本（Cop）最高降低67%，因为在保持高于纯EC的OR%的同时可处理更大体积。COD%T、Turb%T和OR%T的最佳综合性能出现在6 mL·s–1和电极换向时间（ti）20 s条件下。

研究背景方面，石油衍生产物因其高毒性和低生物降解性成为水体重点污染物，其中乳化油在润滑油等工业全生命周期废水中广泛存在，处理难度大。电絮凝（EC，利用牺牲阳极原位生成金属氢氧化物絮凝剂以破乳和捕集污染物的电化学技术）虽对复杂废水有效，但单独使用时受停留时间和高度稳定乳液限制，效率随流速升高而下降。为弥补该缺陷，研究人员将EC与互补工艺耦合，其中植物源生物吸附剂因低成本、高疏水性备受关注，牛角瓜（Calotropis procera，CP）纤维对润滑油吸附量达80 ± 5 g·g^–1，在油水乳液中为12.5 ± 0.5 g·g^–1，且未改性纤维在高流速下因液滴碰撞频率上升而吸附增强，与EC形成流速响应互补。基于此，研究人员在《ACS ES》发表了这项将连续流EC反应器与CP纤维吸附柱集成的研究，旨在验证该组合对乳化油去除及成本优化的协同效应。

关键技术方法上，研究人员搭建4.4 L连续流圆柱电解反应器，采用130 mm × 65 mm × 0.4 mm铝板作牺牲电极，三片交错蜂窝排列、极间距20 mm，直流20 V、最大电流2 A，极性换向时间（t_i）设10、15、20 s；下游接PVC螺纹组装吸附柱，内装3 g日晒干燥CP纤维（填充密度0.1096 g·cm^–3），两端尼龙网防偏流。合成乳液以145.5 ± 9.8 ppm Havoline 15W-40机油、Tween 80乳化剂及NaCl增导配制。采用3²因子设计共11组实验（含中心点重复），流速取2、4、6 mL·s^–1，响应变量含OR%、COD%、Turb%、pH、能耗、铝电极质量损失（LM）；油浓度经正己烷液液萃取后UV/vis 277 nm定量，COD用重铬酸钾消解法600 nm定量，浊度用便携浊度计，成本模型计入电价、铝价与CP纤维估算农业成本。

研究结果部分，3.1节废水特性指出，EC过程pH由6.5 ± 0.1升至7.6 ± 0.2，源于阴极产OH^–与阳极Al(OH)₄^–生成，但增幅温和，满足CONAMA 430/2011排放限值，无需中和。3.2节工艺结果显示，单独EC时OR%EC、Turb%EC、COD%EC随流速升高因停留时间缩短而下降，而集成系统OR%T、Turb%T、COD%T在高流速下仍维持高位，CP柱捕集微絮体并借高流速增加油滴-纤维碰撞补偿EC损失；在Q=6 mL·s^–1、t_i=20 s时OR%T=97 ± 2%、COD%T=91 ± 1%、Turb%T=99.6 ± 0.4%。3.3节LM表明，LM随Q升高显著下降（Q=2时最高0.251 kg·m^–3，Q=6时最低0.037 kg·m^–3），说明高流速下单位体积铝耗降低。3.4节运行成本中，C_energy在Q=6时约1.0 R?m^–3，C_op由Q=2时6.24–7.85R·m^–3降至Q=6时2.33–2.38 R?m^–3，CP纤维分摊成本固定0.85R·m^–3，电极损耗占比随Q升高而缩减。3.5节统计分析与Spearman相关系数确认，OR%EC、Turb%EC、COD%EC、LM、C_op与Q呈显著负相关（COD%EC达?0.934），而OR%T、Turb%T与t_i呈显著正相关（0.701、0.662），证实CP过滤消除EC对流速的依赖，t_i延长利于生成中性pH不溶铝物种从而提升下游吸附。

讨论与结论部分，研究人员指出EC与CP过滤在流速响应上互补：EC宜低流速长停留，CP吸附宜高流速强碰撞，集成后在Q=6 mL·s^–1兼顾大处理量与高效去除，比能耗1.2 kWh·m^–3，C_energy降72%、C_op降67%。结论翻译如下：使用CP纤维的复合电絮凝-吸附系统对含油废水处理有效；统计分析与实验均证实吸附柱在高流速下显著改善性能，而单独EC因停留时间缩短在此区间失效；最高流速Q=6 mL·s^–1时浊度去除超99%、COD去除91%、油去除97%，呈现明确互补效应；该策略证明可再生CP纤维与EC耦合可在提升污染物去除的同时削弱两单元各自的操作限制，并在高流速下展现降本与鲁棒性潜力；未来工作应面向长期电极稳定性、CP纤维寿命与饱和、动态进水波动及中试验证。