ACS ES&T Engineering | 南方科技大学雷洋团队: 电化学磷去除与回收: 电极极性转换的奇妙功效

英文原题：Electrochemical Phosphorus Removal and Recovery from Cheese Wastewater: Function of Polarity Reversal

通讯作者：雷洋, 南方科技大学；Renata D. van der Weijden, Wageningen University/瓦赫宁根大学 

作者：Yang Lei, Mariana Soares da Costa, Zhengshuo Zhan, Michel Saakes, Renata D. van der Weijden, and Cees J. N. Buisman

近日，南方科技大学雷洋团队利用电极极性转换，实现了电极的“自清洁”和产物的自动收集，突破了以往电化学诱导结晶法受沉淀面积的限制。研究同时发现，电极极性转换能够有效提高磷去除效率，降低单位能耗，并提高回收产物纯度。相关成果发表于ACS ES&T Engineering。

电化学技术在分散式废水的处理和资源回收领域有着广阔的前景。其中，电化学诱导磷酸钙沉淀技术（ECaPP）通过将废水中的磷去除并生成磷酸钙产物，同时缓解了水体富营养化的压力和迫在眉睫的磷资源短缺，其无膜、无需化学品添加等优点更是让其在废水处理领域有着巨大的潜力。

在ECaPP中，磷酸钙虽能以致密固体产物的形式在阴极表面生成，但过度的沉淀反而会影响磷去除效率。尽管我们能够通过取出电极的方式清理电极并收集产物，但此种做法并不利于该技术的连续运行和自动化应用。为了解决上述问题，南方科技大学雷洋团队利用电极极性转换，实现了电极的“自清洁”和产物的自动收集。当极性转换发生时，阴极将变为新阳极，阳极将变为新阴极。此时，在新阳极产生的氢离子（H+）能够溶解其上磷酸钙沉淀的内侧，使其从电极上脱落，而新阴极即可为磷酸钙提供新的沉淀位点。通过周期性的转换电极极性，系统能够保持电极始终如新，缓解因电极被沉淀过度覆盖而产生的诸多负面影响。我们旨在通过此工作，探究在ECaPP系统中利用电极极性转换实现电极“自清洁”和产物自动收集的可行性。同时，我们评估了转换电极极性，在间歇和连续流动模式下，对ECaPP系统中磷去除效率和共存离子的影响。我们有望通过该研究推动ECaPP系统的自动化、商业化发展。

图1：（A）（B）（C）电化学实验装置。右图：系统中钙、镁、磷浓度在极性调换前后以及电源切断之后的变化。

不管是在电极极性转换时，抑或是后续切断电流时，奶酪废水中磷浓度均无升高（图1右）。这说明磷酸钙产物在奶酪废水中十分稳定。值得注意的是，镁浓度在电流中断后呈现上升趋势，表明有部分含镁沉淀物（例如氢氧化镁）从阴极脱附后被重新溶解。因此，我们并无需担心磷酸钙产物从阴极脱落后再溶解。反之，部分副产物会发生再溶解，直接提高了产物的纯度。

图2：电极极性反转对（A）磷、（B）钙和（C）镁去除效率以及（D）废水pH的影响

在电极极性转换的操作模式下，ECaPP系统能够实现电极的自清洁和产物的自动收集，磷和钙的去除效率因而得到明显的提高（图2A和B），在96小时处理后可达到95%的磷去除率。值得注意的是，两个系统的区别在反应48小时后逐渐明显。这是因为前24小时仍是反应的起步阶段，磷酸钙沉积对阴极的覆盖并不明显，此时电极转换带来的效果并不显著。而在48小时之后，系统中有39.5%的磷被去除，磷酸钙覆盖了较大一部分阴极面积， 此时调换电极极性能够显著清洁电极上的沉淀物，维持了磷的去除效率，因此相较于未实施极性转换的系统有了明显的提升效果。可以看出，极性转换的时机取决于ECaPP系统的实际表现，当阴极沉淀明显时便是进行电极转换操作的最佳时机。

图3：（A）实施极性转换时，（初始）阴极的SEM图像以及（B）阴极上钙、磷、钛、和铂的元素分布。

从微观角度观察（图3A），在反应至24小时时，磷酸钙产物完全覆盖了阴极表面，同时阴极自身表面形貌已经无法分辨。此时进行极性转换，在48小时时，电极表面（图3B）仅剩余少量钙和磷，元素种类以铂和钛为主，说明磷酸钙产物大部分脱落。直至96小时后，阴极恢复如初。

图4：在不同电流密度下电极极性调换对磷去除效率的影响。

低电流密度下，电极转换显著提高了磷的去除效率。而在在较高电流密度下，电极的极性转换对于磷的去除效率没有显著的影响（图4）。这是由于随着电流密度升高，阴极表面氢气生成愈发剧烈，磷酸钙产物由于气泡的作用自行脱落。但高电流密度会导致较高的单位能耗，在实际应用中需要综合考虑。另外，本研究评估了该系统的长期稳定性及去除效率。从第八天起，系统磷去除效率稳定在65.7%，显著高于未实施极性转换的对照组（45.2%）。

综上所述，通过周期性的电极极性转换，ECaPP系统能够同时实现电极的自清洁，磷酸钙产物的自动收集，以及除磷效能的有效提升。这项工作有望推动ECaPP技术的自动化和产业化。

相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，南方科技大学雷洋助理教授为文章的第一作者和通讯作者，瓦赫宁根大学Renata D. van der Weijden教授为共同通讯者。

欢迎对相关工作感兴趣的同行关注课题组主页（https://faculty.sustech.edu.cn/leiy3/）和ResearchGate（https://www.researchgate.net/profile/Yang-Lei-34），进一步交流。课题组同时招收博士后、硕博士生和科研助理，欢迎来信咨询。

扫描二维码阅读英文原文

ACS ES&T Engineering 2022, 15, 8

Publication Date: August 18, 2022

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsestengg.2c00186

Copyright © 2022 American Chemical Society

点击“阅读原文”

你“在看”我吗？