近日，南方科技大學環境科學與工程學院助理教授雷洋課題組，以"Importance of iron complexation and floc formation towards phosphonate removal with Fe-Electrocoagulation"為題在國際學術期刊 Water Research 上發表最新研究成果。該研究揭示了鐵電絮凝(Fe-EC)系統中鐵離子絡合及絮凝過程對去除水中有機磷酸鹽的重要作用。首次發現，在特定的無氧條件下，Fe-EC系統對有機磷酸鹽的去除效率明顯優於有氧條件。
隨著工業的發展，有機磷酸鹽作為阻垢劑被大量套用於RO膜處理系統和冷卻迴圈水系統的排水中殘留並積累。有機磷酸鹽會在光照以及微生物的作用下持續釋放PO43‒，加劇水體的富營養化，造成藻華等汙染。由於有機磷酸鹽其分子結構的高度穩定性及對金屬離子的強絡合作用，導致現有的汙水處理技術對其處理效果不佳，往往需要較長的處理時間或消耗大量能量。
針對這一問題，研究團隊研究了成本低廉、條件可控，可以原位產生絮凝劑的鐵電絮凝系統，具有在不同條件下對有機磷酸鹽的去除效能，並深入研究了Fe-EC系統去除有機磷酸鹽的機制。
研究團隊選用五種常見的有機磷酸鹽阻垢劑作為實驗物件來驗證Fe-EC系統在不同條件下對有機磷酸鹽的去除效能。實驗過程發現，有機磷酸鹽會與產生的氫氧化(亞)鐵生成Fe-O-P鍵而被氫氧化(亞)鐵吸附(圖1)，有氧條件下有少量的有機磷酸鹽被亞鐵離子氧化過程產生的活性物質降解，但絮體生長的過程中也會消耗部份與有機磷酸鹽的結合位點，導致去除效果下降。
圖2.在無氧條件下Fe-EC從氯化鈉溶液去除有機磷酸鹽的過程中，總溶解磷(TSP)(a)以及溶液中殘余鐵(b)濃度變化
出乎意料的是，在無氧條件下(圖2)，Fe-EC系統對有機磷酸鹽的去除效率明顯高於有氧條件(圖1)，能用更少的鐵和能量消耗達到更高的去除效果。這證明了(亞)鐵離子的絡合對Fe-EC系統去除有機磷酸鹽起到積極作用。而無氧或者缺氧的環境在真實的汙水處理系統中較為常見。該發現有助於開發無氧Fe-EC反應器，實作更高效的有機磷酸鹽去除。
圖3.有氧和無氧條件下Fe-EC處理真實冷卻水過程中pH(a)、TSP(b)和殘余鐵濃度(c)的變化
研究團隊在機理研究的基礎上進一步測試了Fe-EC系統在復雜水體環境中去除有機磷酸鹽的效能並評估其經濟價值。結果表明，真實冷卻水中的共存物質(如Ca2+等)的架橋與強中和作用促進了水中有機磷酸鹽的去除。在有氧條件下，僅需2分鐘電解即可將TSP濃度下降到0.5mg/L以下(圖3)，達到排放標準。經計算，每處理一噸的真實冷卻水的執行成本僅需0.009歐元，低於高級氧化和化學絮凝等工藝。
該研究具有重要基礎理論意義和潛在套用價值，它闡明了鐵離子的絡合以及絮體生成對Fe-EC系統去除有機磷酸鹽的重要性，並行現Fe-EC系統在無氧條件下的有機磷酸鹽去除效率顯著高於有氧條件。這一發現有助於在無氧或者缺氧的真實汙水處理過程中開發新型Fe-EC反應器，為開發新型有機磷酸鹽去除工藝帶來了新的啟示。
南方科技大學2022 級環境科學與工程學院碩士研究生胡海洋為論文第一作者，博士後宋冰囡為共同作者，雷洋為通訊作者。南方科技大學是論文唯一單位。該成果得到廣東省基礎與套用基礎研究基金、深圳基礎研究專項(深圳市自然科學基金)、深圳市高等院校穩定支持計劃、深圳城市環境健康風險精密測量與預警技術重點實驗室、高水平專項基金以及南方科技大學啟動基金的資助。
論文連結：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122117
供稿：環境科學與工程學院
通訊員：周亦瀠
主圖：丘妍
編輯：任奕霏
