废水中重金属及其有机络合物的电转化-电迁移协同调控原理

The electrochemical process has attracted a great deal of attention because of its ease of control, amenability to automation, high efficiency and environmental compatibility. The process can highly degrade or on-site separate the pollutants in the wastewater. But the main problem is how to regulate electron transfer to achieve the coordinated regulation of multi-process in the same electrochemical system. Therefore, this project will target at the electrochemical treatment of the industrial wastewater containing both heavy metals and organic complexes. We will study in-depth the multiphase reaction of pollutants in the electro-degradation, electro-transfer and electro-separation processes. A new principle and method will be founded for electrochemical treatment of typical metal complex pollution. In this project, the functional materials for the electrocatalytic degradation, electro-enrichment, electro-reduction and electro-deposition for the treatment of the coexisting organic compounds and complexes of heavy metals will be developed. The efficient electrochemical reactors will be constructed. In this system, the complexes will be efficiently treated by the regulation of the electro-transformation process and the electro-transfer process. The quantitative relationship between pollutants electrokinetic characteristics and their structure during the treatment will also be researched. A technology consisting electro-degradation, electro-enrichment and electro-deposition will be proposed. Base on the results, two types of novel electrochemical reactors, which integrated electrochemical transformantion, transfer and recovery technology for the wastewater treatment will be developed.

水处理的电化学过程之所以高效，是因为它可以通过电子转移的在线调控实现污染物的深度去除或原位分离。但尚未解决的核心问题是：如何在同一个电化学反应系统中通过电子转移来实现多过程的协同调控。为此，本项目将针对重金属-有机物复合工业废水，以物质的迁移转化为主线，以有机络合态重金属为主要研究对象，以电子转移为核心机制，深入研究水中污染物电转化、电迁移和电分离回收的多相反应，建立典型复合污染物处理的电化学新原理和新方法。重点研究共存有机物和络合物的电催化降解、微量重金属的电富集和电还原沉积的功能材料，构建具有高效电子转移效率的电化学反应系统，实现复合污染物在特定体系中电迁移-电转化的微观调控，揭示反应过程的电动特征与污染物结构/形态的定量关系；提出电迁移、电转化、电富集和电沉积的协同技术模式，开发出2类反应器，初步形成电化学分离回收的一体化新工艺。

本项目以有机络合态重金属为主要研究对象，以电子转移为核心机制，深入研究水中污染物电转化、电迁移和电分离回收的多相反应，建立了典型复合污染物处理的电化学新原理和新方法。通过对活性炭纤维理化性质调控，改善水-固-气微界面传质过程，增强电荷法拉第转移效率，提升阴极电催化还原氧气效率，实现体系中过氧化氢快速积累；发现外加离子型铁可与有机污染物形成铁螯合物，由电场作用快速迁移至阴极区，完成二价铁原位再生，并耦合光化学过程激发，多渠道高效活化过氧化氢至羟基自由基，强化对复杂废水中有机污染物氧化去除。针对自由基诱导所需能耗高问题，提出“高价态金属”介导的直接电化学氧化行为，以此研制出多种复合磷化镍阳极，并通过结构优化、组分调整，有效降低“三价镍”活性位形成能垒，实现低电压下对离子型（甲酸盐等）、分子型（三氯生等）有机污染物的快速转化；为增加电子法拉第效率，围绕“高价态金属”的高效使用，配套穿透式电化学反应器，以提升传质为核心增强金属活性位与污染物接触效率，提高污染物的直接电化学转化行为。针对废水中金属络合物特殊稳定特性，以含铜磺胺甲恶唑废水为研究对象，发现电化学氧化-还原协同可强化金属络合物的脱稳直至最终破络；为强化该过程，研制了负载楔形二氧化钛纳米阵列钛阳极，并以此组装光电化学电化学破络反应器，高度凝缩反应界面于微纳空间，实现流场、电场、光场等多场耦合下的快速电氧化、还原协同过程，低能耗下完成高稳定性镍乙二胺四乙酸高效破络。研发了聚苯胺纳米点修饰石墨烯电极，并开发了微流体穿过式电化学反应器，实现对六价铬的高效还原，进一步构建了聚苯胺/石墨烯复合材料和铁还原电池系统，实现六价铬还原并同步产电；研制了氧化铁负载的石墨烯材料，通过对其形貌、结构优化有效暴露其表面羟基官能团，可实现对金属离子的有效吸附；以三维石墨烯为基底，通过电化学手段强化双电层富集效应，实现对游离态重金属离子的快速回收。