A novel electro-coagulation-Fenton for energy efficient cyanobacteria and cyanotoxins removal without chemical addition

一種新型電凝固- 芬頓試劑實(shí)現(xiàn)無(wú)化學(xué)添加高效去除藍(lán)藻和藍(lán)藻毒素的方法

來(lái)源：Journal of Hazardous Materials（2019年，第365卷）

 

論文總結(jié)

研究開(kāi)發(fā)了一種新型電凝-Fenton（EC-Fenton）過(guò)程，通過(guò)可轉(zhuǎn)換的三電極系統(tǒng)，無(wú)需化學(xué)添加，高效去除藍(lán)藻和微囊藻毒素（MCs），并顯著降低能耗。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

 

摘要概括

摘要指出，有害藍(lán)藻水華對(duì)全球水生生態(tài)和飲用水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。電Fenton（EF）過(guò)程雖能有效去除藍(lán)藻和毒素，但高能耗和化學(xué)添加仍是主要瓶頸。本研究提出了一種可轉(zhuǎn)換三電極電凝-Fenton過(guò)程，能在低能耗和無(wú)化學(xué)添加條件下去除藍(lán)藻和MCs。首次通過(guò)切換電極實(shí)現(xiàn)電凝（EC）和EF的自由交替：EC在pH 8和100 mA電流下去除91±2%藍(lán)藻細(xì)胞和15% MCs，形成的凝集物吸附在細(xì)胞表面形成保護(hù)層，防止細(xì)胞破裂和毒素釋放；殘留MCs和細(xì)胞在EF階段（28 mA）被完全礦化，依靠原位生成的鐵離子和H2O2。與傳統(tǒng)EF相比，EC-Fenton過(guò)程提高TOC去除率30%，能耗降低92%。該技術(shù)為高效處理懸浮固體和持久性有機(jī)污染物提供了新途徑。

 

研究目的

本研究旨在解決以下核心問(wèn)題：

 

開(kāi)發(fā)一種無(wú)需化學(xué)添加、低能耗的方法，高效去除藍(lán)藻水華中的藍(lán)藻細(xì)胞和毒素（如微囊藻毒素MCs）。

通過(guò)集成EC和EF過(guò)程，利用同一反應(yīng)器切換電極模式，減少外部化學(xué)試劑使用和能源消耗。

探究EC階段凝集物形成機(jī)制及其保護(hù)作用，以及EF階段原位生成H2O2和鐵離子的降解效率。

 

評(píng)估過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和可行性，為實(shí)際應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 

研究思路

研究采用分階段實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

 

反應(yīng)器設(shè)計(jì)：構(gòu)建單室立方體電解反應(yīng)器，配備可轉(zhuǎn)換三電極系統(tǒng)（鐵陽(yáng)極、Ti/IrO2對(duì)電極、碳黑-石墨空氣呼吸陰極），通過(guò)切換電極連接實(shí)現(xiàn)EC和EF模式交替。

EC階段優(yōu)化：在藍(lán)藻懸浮液（M. aeruginosa）中，測(cè)試通氣、pH（4-10）、反應(yīng)時(shí)間（30-60分鐘）和電流（100 mA）對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞去除的影響，監(jiān)測(cè)zeta電位、鐵離子濃度和凝集物形態(tài)。

EF階段優(yōu)化：將EC后上清液切換至EF模式，調(diào)整pH至3，測(cè)試不同電流（7-35 mA）對(duì)MCs降解和TOC去除的影響，監(jiān)測(cè)H2O2生成和能量消耗。

對(duì)比實(shí)驗(yàn)：與單一EF過(guò)程比較，評(píng)估EC-Fenton的整體性能。

 

分析手段：使用SEM觀察凝集物形態(tài)，zeta電位分析膠體穩(wěn)定性，ELISA測(cè)定MCs濃度，TOC分析儀測(cè)量有機(jī)碳去除，Unisense微傳感器監(jiān)測(cè)溶解氧（DO）。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖/表編號(hào)）及研究意義：

 

藍(lán)藻細(xì)胞去除率數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 1）

 

數(shù)據(jù)：在最佳EC條件（pH 8, 100 mA, 通氣）下，藍(lán)藻細(xì)胞去除率達(dá)91±2%；延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至60分鐘，去除率提高至96±1%。

 

研究意義：證實(shí)通氣EC能高效去除藍(lán)藻細(xì)胞，通氣促進(jìn)混合和凝集物形成，減少能耗（0.28 kWh m?3 vs. 無(wú)通氣0.42 kWh m?3）。

 

鐵離子濃度數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)：通氣EC中總鐵（Fe_t）濃度線(xiàn)性增加至268±8 mg L?1（60分鐘），無(wú)通氣EC僅79±11 mg L?1；沉降階段Fe_t快速下降。

 

研究意義：通氣促進(jìn)鐵陽(yáng)極溶解，生成更多Fe(III)氫氧化物凝集物，增強(qiáng)掃掠絮凝作用。

 

凝集物形態(tài)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)：SEM圖像顯示通氣EC形成納米級(jí)不規(guī)則凝集物（Fig. 3A-B），無(wú)通氣EC形成片狀微米級(jí)凝集物（Fig. 3C-D）。

 

研究意義：納米級(jí)凝集物具有更高比表面積，吸附能力更強(qiáng)，有效保護(hù)細(xì)胞免受破裂。

 

Zeta電位數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 4）

 

數(shù)據(jù)：初始pH 8時(shí)，zeta電位從-16 mV變?yōu)?10.1 mV（60分鐘），表明電荷中和和掃掠絮凝協(xié)同作用。

 

研究意義：zeta電位變化揭示EC機(jī)制：酸性條件主導(dǎo)電荷中和，堿性條件主導(dǎo)掃掠絮凝，pH 8為最優(yōu)平衡點(diǎn)。

 

MCs去除數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. S3）

 

數(shù)據(jù)：EC階段MCs濃度先略增（5-13%），后下降15%（通氣EC）或8%（無(wú)通氣EC）；單一電解則MCs增加61%。

 

研究意義：凝集物吸附MCs并提供保護(hù)層，減少毒素釋放；EC作為預(yù)處理降低EF負(fù)荷。

 

EF降解數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 6）

 

數(shù)據(jù)：EF在28 mA電流下完全降解MCs（<1 μg L?1），TOC去除率95%；7 mA時(shí)MCs降解83%，TOC去除47%。

 

研究意義：電流強(qiáng)度影響H2O2生成和降解效率，28 mA為能耗和效率最優(yōu)值（能耗0.14 kWh m?3）。

 

能量消耗數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 2）

 

數(shù)據(jù)：EC-Fenton總能耗0.42 kWh m?3，單一EF在140 mA時(shí)能耗5.25 kWh m?3，但TOC去除率僅74%。

 

研究意義：EC-Fenton能耗降低92%，證明集成過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性和高效性。

 

H2O2生成數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. S5）

 

數(shù)據(jù)：H2O2產(chǎn)量隨電流增加而線(xiàn)性增加，但過(guò)高電流（如35 mA）可能導(dǎo)致·OH淬滅。

 

研究意義：優(yōu)化電流可最大化H2O2利用效率，避免副反應(yīng)。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

EC-Fenton過(guò)程高效且經(jīng)濟(jì)：通過(guò)EC和EF模式切換，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)藻細(xì)胞和MCs的高效去除（細(xì)胞去除98%，MCs去除100%，TOC去除96%），無(wú)需化學(xué)添加，能耗降低92%。

EC機(jī)制：通氣EC在pH 8下最優(yōu)，形成納米級(jí)Fe(III)凝集物，通過(guò)電荷中和和掃掠絮凝去除細(xì)胞，并吸附MCs減少釋放。

EF機(jī)制：EF利用原位生成的鐵離子和H2O2，在pH 3和28 mA下完全降解殘留污染物，電流強(qiáng)度是關(guān)鍵參數(shù)。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：可轉(zhuǎn)換電極系統(tǒng)簡(jiǎn)化操作，適用于同時(shí)處理懸浮固體和有機(jī)污染物的水體，具有實(shí)際應(yīng)用潛力。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense微傳感器系統(tǒng)（型號(hào)MM-Meter）用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溶解氧（DO）濃度，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DO變化：Unisense傳感器具有高靈敏度（微米級(jí)尖端），能原位測(cè)量液相DO而不擾動(dòng)反應(yīng)環(huán)境（方法部分2.4）。DO數(shù)據(jù)用于優(yōu)化通氣條件，確保EC階段充分混合和氧化，促進(jìn)鐵陽(yáng)極溶解和凝集物形成。

關(guān)聯(lián)H2O2生成：在EF階段，DO是H2O2電合成（通過(guò)氧還原反應(yīng)）的關(guān)鍵底物。Unisense數(shù)據(jù)幫助確認(rèn)通氣率是否充足，以維持陰極的H2O2產(chǎn)量（如Fig. S5所示），避免因DO不足限制降解效率。

優(yōu)化過(guò)程控制：DO水平影響凝集物形態(tài)和反應(yīng)速率；例如，通氣EC中DO較高，促進(jìn)Fe(II)氧化為Fe(III)，生成更有效的凝集物。Unisense實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)允許動(dòng)態(tài)調(diào)整通氣策略，最大化效率。

能效評(píng)估：通過(guò)監(jiān)測(cè)DO，間接評(píng)估能量輸入與產(chǎn)出（H2O2生成）的關(guān)系，支持能耗計(jì)算（如Table 2），證明EC-Fenton的低能耗優(yōu)勢(shì)。

 

技術(shù)可靠性：Unisense傳感器的高精度和穩(wěn)定性確保了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為機(jī)制研究提供了可靠依據(jù)，避免了取樣誤差。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的核心監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)提供原位DO測(cè)量，它直接優(yōu)化了通氣條件和反應(yīng)效率，證實(shí)了EC-Fenton過(guò)程的可行性和經(jīng)濟(jì)性，為未來(lái)放大應(yīng)用提供了關(guān)鍵參數(shù)。沒(méi)有這些數(shù)據(jù)，通氣策略和能量?jī)?yōu)化將缺乏實(shí)證基礎(chǔ)。