2V電壓、5000小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行：一種“可放大”的凈水技術(shù)來(lái)了

近年來(lái)，藥物、個(gè)人護(hù)理品以及內(nèi)分泌干擾物等持久性有機(jī)污染物，正以極低濃度卻高風(fēng)險(xiǎn)的形式廣泛存在于自然水體中。這類“微污染物”難以被傳統(tǒng)污水處理技術(shù)有效去除，同時(shí)其低濃度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)也讓現(xiàn)有技術(shù)面臨巨大挑戰(zhàn)。盡管電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù)被認(rèn)為是最有前景的解決方案之一，但其長(zhǎng)期受限于反應(yīng)效率低、依賴電解質(zhì)、難以規(guī)模化等問題，始終難以走向?qū)嶋H應(yīng)用。

針對(duì)上述難題，安徽師范大學(xué)熊宇杰教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中科大俞漢青院士攜手提出了一種全新的膜電極組件（MEA）電化學(xué)水處理系統(tǒng)，通過耦合陰極氧還原反應(yīng)與陽(yáng)極氧化過程，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需外加電解質(zhì)的高效污染物降解。該系統(tǒng)在低電壓（約2 V）下即可穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)多種典型污染物去除率超過92%，并可通過模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)規(guī)模放大，運(yùn)行壽命超過5,000小時(shí)，同時(shí)具備太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)潛力，為綠色、可持續(xù)水處理提供了新路徑。相關(guān)成果以“Scalable flow-through device for electrochemical water treatment without secondary pollution”為題發(fā)表在《Nature Sustainability》上。Xiaofeng Cui, Ci Peng, Wensong Duan為共同第一作者。

值得一提的是，這是安徽師范大學(xué)校史首篇Nature Sustainability。

從“各自為戰(zhàn)”到“協(xié)同作戰(zhàn)”：電化學(xué)凈水的新思路

在傳統(tǒng)電化學(xué)水處理體系中，無(wú)論是電芬頓反應(yīng)還是陽(yáng)極氧化，大多只能利用電極的一半反應(yīng)能力（圖1a）。即使發(fā)展到流通式反應(yīng)器（圖1b）或陰陽(yáng)極耦合體系（圖1c），依然存在能耗高、反應(yīng)效率受限以及必須添加電解質(zhì)等問題。為此，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的整體反應(yīng)架構(gòu)（圖1d）：將氣體擴(kuò)散電極（GDE）、陰離子交換膜（AEM）與反應(yīng)性電化學(xué)膜（REM）集成在一起，構(gòu)建膜電極組件系統(tǒng)。在這一體系中，陰極通過氧還原反應(yīng)生成活性物種，陽(yáng)極則進(jìn)行氧化反應(yīng)，兩者在同一流動(dòng)路徑中協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)污染物的高效降解。同時(shí)，該設(shè)計(jì)無(wú)需額外電解質(zhì)，顯著降低了運(yùn)行成本和二次污染風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)看，該系統(tǒng)在規(guī)模擴(kuò)大后成本可進(jìn)一步降低，表現(xiàn)出良好的工程應(yīng)用潛力（圖1e）。

圖1：傳統(tǒng)電化學(xué)水處理與MEA新體系的對(duì)比及成本分析。

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：讓“電”和“流”真正耦合

要實(shí)現(xiàn)這一體系，關(guān)鍵在于同時(shí)解決導(dǎo)電與傳質(zhì)問題。研究團(tuán)隊(duì)采用零間隙MEA結(jié)構(gòu)，使陰極產(chǎn)生的HO??等陰離子通過交換膜傳輸?shù)疥?yáng)極區(qū)域，既維持導(dǎo)電性，又實(shí)現(xiàn)活性物種跨界遷移（圖2a）。與此同時(shí)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了三維多孔反應(yīng)膜結(jié)構(gòu)，使水流從正面進(jìn)入膜內(nèi)部，再?gòu)膫?cè)面流出（圖2b）。這種結(jié)構(gòu)不僅顯著提高了反應(yīng)面積，還強(qiáng)化了污染物在微通道中的富集與反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)：通入氧氣后，體系電流密度明顯提升、阻抗降低（圖2c）；模擬顯示，HO??在膜內(nèi)均勻分布（圖2e），水流路徑也高度均勻（圖2f），說(shuō)明反應(yīng)與傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的耦合。

圖2：MEA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳質(zhì)、電荷傳輸模擬結(jié)果。

性能爆發(fā)：低電壓、高通量、全類型污染物通殺

在性能測(cè)試中，這套系統(tǒng)展現(xiàn)出極強(qiáng)的綜合能力。以抗生素左氧氟沙星為例，在僅2.0 V電壓下即可實(shí)現(xiàn)接近100%的去除率（圖3a）。即使將通量提升至1,920 L m?2 h?1、停留時(shí)間壓縮至1秒級(jí)，去除率依然保持在99%以上（圖3b）。不僅如此，該系統(tǒng)對(duì)濃度變化具有高度適應(yīng)性，在不同濃度區(qū)間均表現(xiàn)出快速反應(yīng)能力（圖3c）。更關(guān)鍵的是，它對(duì)多種典型污染物——包括藥物、個(gè)人護(hù)理品和內(nèi)分泌干擾物——都能實(shí)現(xiàn)高效去除（圖3d）。即便在接近真實(shí)環(huán)境的超低濃度（500 ng L?1）條件下，污染物依然可以被穩(wěn)定降解（圖3e）。在長(zhǎng)期運(yùn)行測(cè)試中，系統(tǒng)可穩(wěn)定工作超過5,000小時(shí)，性能幾乎無(wú)衰減（圖3f），在效率、能耗與穩(wěn)定性之間實(shí)現(xiàn)了全面突破（圖3g）。

圖3：系統(tǒng)在不同條件下的污染物去除性能與穩(wěn)定性。

機(jī)理揭秘：不只是更強(qiáng)，而是“更聰明”

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種性能提升并非單一因素，而是多重機(jī)制協(xié)同作用的結(jié)果。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看到，當(dāng)去除陰極氧還原反應(yīng)時(shí)，污染物去除率明顯下降（圖4a），說(shuō)明陰極不僅參與導(dǎo)電，更直接參與反應(yīng)。更有意思的是，雖然傳統(tǒng)體系中H?O?濃度更高，但該系統(tǒng)中羥基自由基（?OH）產(chǎn)率反而更高（圖4b,c）。研究表明，在三維微通道中，HO??與H?O?充分混合，促進(jìn)生成更強(qiáng)氧化能力的自由基。此外，模擬結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具有更高的電勢(shì)梯度、更均勻的壓力分布和更強(qiáng)的傳質(zhì)能力（圖4g–i），從根本上提升了反應(yīng)效率。這種“結(jié)構(gòu)+反應(yīng)”的協(xié)同優(yōu)化，是其性能躍升的關(guān)鍵。

圖4：反應(yīng)機(jī)理分析與多物理場(chǎng)模擬對(duì)比。

走向應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)室到真實(shí)水體

在工程應(yīng)用層面，該系統(tǒng)展現(xiàn)出極強(qiáng)的擴(kuò)展能力。通過并聯(lián)模塊，處理能力可線性提升而效率不下降（圖5a）；通過串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步提高礦化深度（圖5b）。團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了100 cm2的大面積反應(yīng)器，并優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，使其性能與小型系統(tǒng)幾乎一致（圖5c）。在真實(shí)醫(yī)院廢水中測(cè)試時(shí)，對(duì)三氯生和戊二醛的去除率分別超過90%和80%，并可穩(wěn)定運(yùn)行150小時(shí)以上（圖5d）。更令人驚喜的是，該系統(tǒng)甚至可以由微型太陽(yáng)能板驅(qū)動(dòng)，在自然條件下實(shí)現(xiàn)高效凈水，展現(xiàn)出面向分散式水處理場(chǎng)景的巨大潛力。

圖5：系統(tǒng)的規(guī)模化能力及真實(shí)水體應(yīng)用驗(yàn)證。

總結(jié)與展望

總體來(lái)看，這項(xiàng)研究提出了一種兼具高效率、低能耗與可擴(kuò)展性的電化學(xué)水處理新范式。通過構(gòu)建MEA體系，實(shí)現(xiàn)了陰陽(yáng)極反應(yīng)的深度耦合，突破了傳統(tǒng)電化學(xué)技術(shù)對(duì)電解質(zhì)的依賴，同時(shí)在真實(shí)水體中驗(yàn)證了其穩(wěn)定性與實(shí)用性。未來(lái)，隨著電極材料優(yōu)化、抗污染能力提升以及更大規(guī)模驗(yàn)證的推進(jìn)，該技術(shù)有望在分布式水處理、偏遠(yuǎn)地區(qū)供水以及環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為實(shí)現(xiàn)綠色低碳水處理提供關(guān)鍵支撐。