《Environments》：From Beliefs to Behaviors: Examining University Students’ Responses to Plastic Pollution Through the Roles of Attitudes and Behavioral Intentions Under Different Barriers
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电絮凝（Electrocoagulation, EC）可降低灰水（greywater）的有机负荷，但提高处理强度可能将环境负担转移至电力消耗和牺牲电极（sacrificial electrode）的生产环节。本研究将实验室规模实验与筛选式生命周期
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电絮凝（Electrocoagulation, EC）可降低灰水（greywater）的有机负荷，但提高处理强度可能将环境负担转移至电力消耗和牺牲电极（sacrificial electrode）的生产环节。本研究将实验室规模实验与筛选式生命周期碳评估（screening life-cycle carbon assessment）相结合，在施加电流为0.1、0.2和0.3 A的条件下，评估了铝（Al）和铁（Fe）电极的性能。研究评估了COD去除率、电解能耗和理论电极消耗量，气候变化影响分别以每立方米处理灰水和每千克去除COD表示。施加电流对COD去除率有显著影响（p < 0.001），而电极材料的总体效应不显著。在0.1至0.3 A范围内，Al电极的平均COD去除率从68.0%增至95.8%，Fe电极从62.0%增至96.2%；同时，两者的比能耗（specific energy consumption, SEC）分别从0.45增至3.00和3.15 kWh/m3。在参考生命周期情景下，Al的总全球变暖潜势（global warming potential, GWP）从0.46增至2.16 kg CO2e/m3，Fe从0.33增至1.83 kg CO2e/m3。低电流运行在每千克去除COD的环境影响上也最低。贡献分析揭示了环境热点的转移：在0.1 A条件下，原铝生产占主导地位；而在较高电流下，电力对Al系统占主导，且电力在所有测试电流下对Fe系统均占主导。电力碳强度和电极生产路径情景表明，脱碳电力在较高电流下可大幅降低环境影响，而低碳铝和废钢基钢材在电力相关影响下降时变得日益重要。结果表明，灰水EC的气候绩效取决于处理目标、施加电流、电力供应和电极生产路径的共同作用。该评估为低碳和更循环的EC设计提供了早期决策支持，但需通过中试规模运行和扩展的多影响类别生命周期清单进行验证。
论文解读
一、研究背景与意义
全球淡水资源压力持续增大，废水处理与回用作为水资源管理的重要补充手段受到广泛关注。水质退化会通过减少可供人类和环境使用的水量而加剧物理性水资源短缺。灰水（greywater）指除厕所废水以外的家庭生活废水，因其在适当处理后可在选定的非饮用用途中替代淡水，成为分散式处理的重要对象。开发既能有效去除污染物又具有低能耗和低材料需求的处理工艺，不仅对水资源回收至关重要，也有助于限制从供水向废水处理转移的环境负担。
电絮凝（Electrocoagulation, EC）作为一种物理化学处理工艺受到广泛关注，其絮凝剂物种由牺牲金属电极电化学产生，而非外部连续投加化学絮凝剂。EC过程中，阳极溶解释放金属离子（通常为Al或Fe），随后形成能够使胶体和溶解态污染物失稳的氢氧化物物种，同时阴极析氢可辅助浮选和分离。针对灰水，Al基和Fe基EC可实现可观的COD去除，但性能强烈依赖于施加电流、电流密度、处理时间、电极间距、溶液电导率和电极材料等运行参数。
然而，提高污染物去除的运行参数可能同时增加环境负担。施加电流尤为关键，因为增大电流会增加电能需求和牺牲电极消耗量。因此，最大污染物去除率不一定对应最低环境影响。此外，牺牲电极引入了与开采、精炼、金属生产和电极制造相关的上游材料负担。Al与Fe的差异不能仅从电极消耗质量来评估，还必须考虑各自的生产路径和相关生命周期强度。
近年来，生命周期评估（Life-Cycle Assessment, LCA）在检验此类权衡方面的价值日益凸显。已有研究表明，规模、电力来源、处理配置、能耗、材料和运行假设均会影响EC的环境表现。然而，仍存在三个重要问题：第一，不同去除效率的处理条件常按单位体积水进行比较，而未同时考虑去除的污染物质量；第二，电极材料常用单一生产因子表示，而Al和钢的生命周期温室气体（GHG）强度随一次生产技术、再生含量和能源来源变化显著；第三，电力和电极生产常被独立考虑，而电网脱碳可能将主导环境热点从工艺电力转向电极供应。本研究旨在联合评估这些因素，以确定对Al或Fe的表观偏好是否稳健，抑或取决于背景生产假设。
二、研究目的与主要技术方法
本研究通过实验与筛选式生命周期碳评估的整合，评估了Al和Fe电极在0.1、0.2和0.3 A施加电流下对灰水的处理性能和环境表现，具体目标包括：（i）量化施加电流和电极材料对COD去除率和电解能耗的影响；（ii）利用法拉第定律估算牺牲电极消耗量并将其作为建模的前景清单流；（iii）量化每立方米处理灰水和每千克去除COD的气候变化影响；（iv）在参考生命周期情景下识别电解电力和电极生产的相对贡献；（v）检验结果对电力碳强度、Al和钢生产路径、循环材料供应情景以及理论电极消耗不确定性的敏感性。
研究采用的主要技术方法包括：灰水样品采自约旦扎尔卡某政府机构的洗手盆和沐浴盆排水口，在高峰使用时段前后收集约80 L，混合为单一散装样品后在5 °C冷藏保存，48小时内完成所有处理和分析程序，初始COD约为860 mg/L，电导率为1020 μS/cm。实验采用因子设计，评估两种电极材料（Al和Fe）在三个施加电流水平（0.1、0.2和0.3 A）下的性能，每种电极-电流组合进行三次独立反应器处理运行，共获得18个COD去除观测值，每次运行使用从同一均质化散装灰水样品中取出的新鲜500 mL等分试样。COD采用重铬酸钾比色法测定，电解能耗根据实测电池电压、施加电流和电解时间计算，理论电极消耗量按法拉第定律估算。筛选式生命周期碳评估遵循ISO 14040和ISO 14044的一般原则，以1 m3灰水经15分钟电絮凝处理为基本功能单位，同时采用1 kg去除COD作为性能归一化参考，基线系统边界包括电解电力和理论牺牲电极消耗两项主要前景流，背景过程涵盖发电和电极材料上游生产。参考电力碳强度采用2024年全球平均发电碳强度0.473 kg CO2e/kWh，并评估了0.05和0.80 kg CO2e/kWh两个边界情景；Al基线材料因子采用国际铝业协会2023年全球平均原铝摇篮到大门GHG强度14.8 kg CO2e/kg，低碳原铝基准为4.0 kg CO2e/kg；钢的全球平均GHG强度为2.18 kg CO2e/kg，并评估了高炉-转炉（BF-BOF）2.66、直接还原铁-电弧炉（DRI-EAF）1.66和废钢基电弧炉（scrap-EAF）0.71 kg CO2e/kg三种生产路径情景。敏感性分析考察了电力碳强度、电极生产路径和理论电极消耗（±20%扰动）三类不确定性来源。统计上采用双因素方差分析（ANOVA）评估电极材料、施加电流及其交互作用对COD去除率的影响，显著性水平为p < 0.05，显著因素的事后比较采用Tukey HSD检验。
三、研究结果
3.1 电絮凝处理性能。 两种电极材料的COD去除率均随施加电流持续增加。Al电极在0.1、0.2和0.3 A下的平均COD去除率分别为68.02 ± 4.58%、82.25 ± 3.97%和95.84 ± 0.17%，Fe电极对应值为61.97 ± 2.61%、83.68 ± 2.33%和96.17 ± 0.17%。双因素ANOVA显示施加电流对COD去除率有高度显著影响（F(2,12) = 177.85，p < 0.001），而电极材料的总体效应不显著（F(1,12) = 1.12，p = 0.310），电流与电极的交互作用未达0.05显著性水平（F(2,12) = 3.00，p = 0.088）。Tukey事后比较显示三个电流水平彼此显著不同（p < 0.001），0.1至0.3 A间平均去除率增加约31.01个百分点。这表明施加电流而非电极材料是控制COD去除的主要实验因素。
3.2 电解能耗需求。 比电解能耗（SEC）随施加电流显著增加。Al的SEC从0.1 A时的0.45 kWh/m3增至0.2 A时的1.78和0.3 A时的3.00 kWh/m3，Fe对应值为0.45、1.79和3.15 kWh/m3。从0.1增至0.3 A使SEC增加约6.7倍（Al）和7.0倍（Fe）。两种材料在0.1和0.2 A下能耗几乎相同，0.3 A时Fe因记录电压为21 V（Al为20 V）而多耗约5%电能。与COD去除率在约96%处接近平台不同，能耗随电流持续强劲增长，因此COD去除的增量收益变得日益能源密集。
3.3 理论牺牲电极消耗量。 按法拉第定律计算的理论电极消耗量随施加电流线性增加。Al消耗量从0.1 A时的8.39 mg/次增至0.2和0.3 A时的16.78和25.17 mg/次，对应比消耗量为16.78、33.56和50.34 g/m3。Fe的理论消耗量显著更大，分别为26.05、52.09和78.14 mg/次，即52.09、104.18和156.27 g/m3。各电流水平下Fe的理论消耗量约为Al的3.1倍，源于法拉第计算中使用的不同电化学当量重量。
3.4 基线生命周期全球变暖潜势。 在参考生命周期情景下，两种材料的总GWP均随施加电流大幅增加。Al的总GWP从0.1 A时的0.46 kg CO2e/m3增至0.2 A时的1.34和0.3 A时的2.16 kg CO2e/m3，Fe对应值为0.33、1.07和1.83 kg CO2e/m3。从0.1增至0.3 A使总GWP增加约4.7倍（Al）和5.6倍（Fe），而平均COD去除率仅从约68%增至96%，气候影响的增幅远超处理性能的比例改善。在基线生产假设下，Fe在各电流水平的总GWP均低于Al，相对低约29.2%（0.1 A）、19.8%（0.2 A）和15.4%（0.3 A），差异随电流增大而缩小，因为电力对两种材料的总影响占比越来越大。
3.5 性能归一化气候影响。 将气候影响归一化至去除的COD质量并未改变低电流运行的整体优势。Al的每千克去除COD的GWP从0.1 A时的0.791 ± 0.054增至0.2 A时的1.895 ± 0.090和0.3 A时的2.626 ± 0.005 kg CO2e/kg COD，Fe从0.613 ± 0.025增至1.493 ± 0.042和2.213 ± 0.004 kg CO2e/kg COD。逆向指标（每单位GWP去除的COD）相应下降：Al从约1269降至381 g COD/kg CO2e，Fe从约1633降至452 g COD/kg CO2e。高电流运行提供最高绝对COD去除率，但每单位气候影响的处理回报最低。
3.6 贡献分析。 电力和电极生产的相对贡献随运行电流和电极材料变化。Al在0.1 A时电极生产为最大基线贡献者，占总GWP的53.8%，电解电力占46.2%；在0.2和0.3 A时电力占主导，分别贡献62.9%和65.6%。Fe系统在所有电流条件下均为电力主导：0.1 A时电力贡献65.2%，0.2 A时为78.8%，0.3 A时为81.4%，材料贡献相应从34.8%降至18.6%。这表明环境热点并非恒定：低电流Al运行时上游原铝生产略重于电解电力，而随电流增大电力供应成为GWP的主要来源；Fe因钢生产因子较低，在整个测试范围内电力始终是气候影响的主要来源。
3.7 对电力碳强度的敏感性。 电力碳强度对所有六种EC配置的绝对GWP影响显著，尤其在较高电流水平。在低碳电力情景（0.05 kg CO2e/kWh）下，Al的总GWP范围为0.27至0.90 kg CO2e/m3，Fe为0.14至0.50 kg CO2e/m3，相对全球参考情景降低约41.3–58.6%（Al）和58.3–72.8%（Fe）。在碳密集型电力情景（0.80 kg CO2e/kWh）下，总GWP增至Al的0.608–3.145和Fe的0.474–2.861 kg CO2e/m3，相对增幅约31.9–45.3%（Al）和45.1–56.3%（Fe）。三个电力情景下电流水平的排序均保持不变：0.1 A始终产生最低GWP，0.3 A最高。在基线材料假设下，Fe在全部电力情景范围内同电流下均保持低于Al的GWP，但低碳电力下电极材料差异的相对重要性增大。
3.8 电极生产路径和循环性情景的影响。 假设的电极生产路径也影响总GWP，但其相对重要性随施加电流和电力消耗增加而下降。对Al，将全球原铝因子14.8替换为低碳原铝基准4.0 kg CO2e/kg后，总GWP从0.46降至0.280 kg CO2e/m3（0.1 A）、从1.34降至0.976（0.2 A）、从2.16降至1.620 kg CO2e/m3（0.3 A），降幅约39.3%、27.1%和25.1%。Al回收加工情景产生更低的数值（0.222、0.859和1.445 kg CO2e/m3），但仅代表加工阶段敏感性案例。对Fe，BF-BOF情景相对全球平均钢基线增加总GWP，而DRI-EAF和scrap-EAF路径降低之。scrap-EAF在0.1、0.2和0.3 A下产生最低Fe值0.250、0.921和1.601 kg CO2e/m3，相对全球平均钢情景降低约23.5%、14.3%和12.5%。情景分析表明Fe的基线优势并非电极材料的固有属性：低碳原铝在三个电流水平的总GWP（0.280、0.976和1.620 kg CO2e/m3）均低于全球平均Fe对应值（0.33、1.07和1.83 kg CO2e/m3），上游生产路径可在EC运行条件不变的情况下改变电极材料的相对气候排序。
3.9 对理论电极消耗不确定性的稳健性。 将法拉第基电极消耗量±20%扰动对总GWP的影响远小于电力碳强度情景。Al的总GWP范围为0.411–0.511（0.1 A）、1.239–1.438（0.2 A）和2.015–2.313 kg CO2e/m3（0.3 A），偏差约±10.8%、±7.4%和±6.9%。Fe对应范围为0.304–0.349、1.028–1.119和1.763–1.899 kg CO2e/m3，偏差约±7.0%、±4.2%和±3.7%。相对敏感性随电流增大而下降，因电极生产在总GWP中占比逐渐减小。±20%扰动未改变三个电流水平的排序，也未改变同电流下Al与Fe的基线比较。高施加电流大幅增加气候影响的主要结论对偏离理想法拉第电极消耗的合理偏差具有稳健性。
四、讨论与结论
讨论部分指出，施加电流是控制COD去除的主要实验因素，而电极材料的总体效应不显著。从0.1增至0.3 A使平均COD去除率从约68%增至96%，但比能耗增加约6.7–7.0倍，呈现明显的环境回报递减。这符合EC的基本运行原理：低电流下额外絮凝剂产生可显著改善有机物去除，但当可去除组分趋于耗尽时，进一步增加絮凝剂产生和能量输入仅提供越来越小的COD去除改善。0.3 A仅在需要更高COD去除以满足下游处理或水质目标时才合理；若可接受较低去除水平或后续有其他精处理工艺，低电流运行提供显著更有利的能源和气候特征。
生命周期热点并非恒定：参考情景下，0.1 A时原铝生产占Al系统总GWP的53.8%，略超电解电力；0.2和0.3 A时电力占主导（62.9%和65.6%）。Fe系统在所有电流下均为电力主导（65.2–81.4%）。这种热点转变表明EC不能被笼统描述为“能源主导”或“材料主导”过程，其相对重要性取决于电流、处理时长、电力碳强度、电极消耗量和上游生产路径。在较高电流下，降低电力需求或电力碳强度是主要脱碳机会；在较低电流下，尤其使用原铝电极时，上游材料生产可能同等或更加重要。
基线材料假设下Fe的总GWP低于Al，尽管其理论电极质量消耗约为Al的3.1倍，这源于全球钢生产基线GHG强度远低于全球原铝。然而Fe并非固有更环保：当Al生产因子从14.8降至4.0 kg CO2e/kg时，Al系统总GWP降至低于全球平均钢代表的Fe结果。电极排序取决于材料供应链的碳强度而非金属本身。循环性策略需要了解再生含量、收集和重熔要求、电力供应、材料质量及制造适用电极所需的额外加工，不能简单表示为使用“再生电极”。
电力碳强度对绝对GWP影响显著，尤其在较高电流下。低碳电力情景在0.3 A时使Al总GWP从2.16降至0.895、Fe从1.83降至0.498 kg CO2e/m3。但电力脱碳并未消除环境热点，而是转移其相对重要性：低碳电力下电极生产占剩余影响的比例更大。最强长期策略是组合策略：通过适当电流选择减少不必要电力输入、逐步脱碳电力供应、从低碳或更循环生产路径获取电极材料。
双功能单位的使用是必要的，因为六种配置未提供等效处理功能。按每立方米和每千克去除COD归一化后，低电流运行的排序均保持不变，但低GWP并不自动意味着处理条件技术上充分：0.1 A仅去除约62–68%的COD，而0.3 A去除约96%。结果不支持普遍选择0.1 A作为“最优”电流，而支持选择能够满足既定处理目标的最低影响运行条件。一个潜在有吸引力的设计方向是评估低电流EC作为预处理，后续接相对低能耗的精处理工艺，但这需要评估完整处理链。
研究局限性包括：环境分析仅限于气候变化；牺牲电极消耗量由法拉第定律估算而非独立重量法验证；若干前景流（磁力搅拌器电力、电极调理硫酸、蒸馏冲洗水、污泥处理、反应器基础设施、运输、处理水输送和末端使用）因缺乏可靠活动数据而被排除在基线清单之外；背景金属因子来自全球行业数据集而非产品特定电极供应链。定量结果特定于本研究评估的散装灰水样品，不应直接转移至COD浓度、有机组成、电导率、pH、离子强度、表面活性剂含量或悬浮固体特征显著不同的灰水。污泥管理是特别相关的排除流，因为Fe消耗量约为Al的3.1倍，但实际污泥产量不能直接从电极消耗推断。中试规模放大可能改变电池电压、电流效率、水力行为、电极钝化、混合要求、沉降性能、污泥产生和单位体积能耗。
结论部分指出，本研究通过实验EC性能与筛选式生命周期碳评估的整合，评估了Al和Fe电极在0.1、0.2和0.3 A施加电流下的灰水处理。施加电流是影响COD去除的主要实验因素，将平均去除率从0.1 A时的约62–68%提高至0.3 A时的约96%，而电极材料的总体效应不显著。这一处理性能改善伴随着不成比例大幅增加的电解能耗和GWP。参考情景下，总GWP从0.1 A时的0.46（Al）和0.33（Fe）增至0.3 A时的2.16和1.83 kg CO2e/m3。按去除COD归一化后趋势相同，确认最大COD去除率不对应最大碳效率。生命周期结果显示环境热点取决于运行条件和上游材料生产：电力在所有测试电流下主导Fe基EC的GWP，并在0.2和0.3 A下成为Al的主要贡献者；但0.1 A时原铝生产略超电力，表明EC不能被普遍表征为电力主导过程。基线材料因子下Fe总GWP低于Al，尽管其理论电极消耗更大，但该排序是有条件的而非固有的：低碳铝生产使Al基GWP降至低于全球平均钢代表的Fe值。电力脱碳在较高电流下产生最大绝对降幅，而低碳和更循环电极生产路径在电力相关影响下降时日益重要。结果支持选择能够满足既定处理目标的最低影响EC运行条件，而非独立于能源和材料负担地最大化污染物去除。该评估应被解释为早期筛选分析而非完整摇篮到坟墓LCA，未来工作应通过重量法验证电极消耗、评估连续中试规模运行、表征残留金属和额外水质指标、量化污泥和辅助输入，并将评估扩展至多个生命周期影响类别。
