JHM专栏 | 烟台大学吕建波/张伟团队、河北大学王洪杰团队：铝电絮凝技术去除水中钼酸盐——成本效能分析、主要影响因素和可能机制
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近日，烟台大学土木工程学院吕建波教授 / 张伟副教授团队和河北大学王洪杰教授团队联合在环境领域著名学术期刊 Journal of Hazardous Materials 上发表了题为“ Mo(VI) removal from water by aluminum electrocoagulation: Cost-effectiveness analysis, main influencing factors, and proposed mechanisms ”的论文 。水中金属污染物的有效去除一直是环境领域人们关注的热点问题，电絮凝是一种有效的金属污染物去除技术，特别是铝电絮凝技术，因不会带来色度问题，具有良好的用于饮用水处理的潜力。本文以水中钼酸盐（ MoO 4 2- ）为目标污染物，基于节能减污降碳协同增效思路，系统研究了传统铝电絮凝（ Al-Al ）去除水中钼的效能、主要影响因素和潜在的机理，对絮体（沉淀物和浮渣）进行了物化性能表征，对比了铝电絮凝和铝盐絮凝除钼效能，并对运行过程主要成本（电极损失、电能消耗和污泥处理）进行了分析，阐明了传统铝电絮凝除钼过程中铝电极无谓消耗的根本原因，为工程应用中铝电絮凝技术的同步除污、降碳和水质毒性削减提供了相关策略 。
引言
钼是动植物所必需的微量元素，在环境中广泛分布，钼作为原材料广泛用于许多工业领域，包括高硬度钢合金、防火隔热材料、石化和医疗生产等行业。由于含钼工业废水的排放和突发性水污染事件的发生，高浓度的钼可能会进入到环境中，导致饮用水源受到污染。冶金和采矿活动是地表水和地下水中钼的主要来源。人类摄入过量的钼会对其健康产生负面影响。在天然水中，正常 pH 值下（ 6−9 ）， Mo 主要以 Mo(VI) 含氧阴离子的形式存在，而 MoO 4 2− 是主要的 Mo(Ⅵ) 形式，尤其是在高 pH 值下。为保护人类健康，美国环保署和中国均制订了严格的饮用水 Mo 限值标准，分别为 40 和 70 μg/L ，因此，积极探索有效的除钼技术是一项重要课题。目前报道的除钼技术主要包括化学沉淀、离子交换和吸附。这些技术各有缺点，电絮凝（ EC ）作为一种新兴水处理技术，在中小规模的污染物去除方面具有良好的开发应用潜力。与铁电絮凝相比，铝电絮凝因为不会引起色度问题，在饮用水处理方面受到更多的关注。然而，至今尚未见到有关电絮凝技术除钼的研究报道。
图文导读
本研究采用铝电絮凝（阳极 - 阴极： Al-Al ）去除水中 Mo(VI) 进行了研究，考察了主要电化学和水质因素对铝电絮凝除钼和运行成本的影响， 图 1 给出了三种电极连接方式（单极并联式 MP-P 、单极串联式 MP-S 和双极式 BP-S ）对铝电絮凝的影响，结果表明，不同连接方式之间没有明显的 Mo(VI) 去除效率差异。然而，单极并联式在能耗、电流效率、电极损失和絮体体积方面表现出最佳性能，因此后续研究均采用单极并联式。 图 2 表明，电流密度主要影响钼去除速率，过高的电流密度不会增加去除率，但电流密度的增加，会导致电极损失和运行成本线性增加（ R 2 >0.9 ）。显著性分析表明，电流密度会显著影响铝阳极、阴极和总电极损失（ p < 0.05 ），且污泥处理成本显著高于电极和电能消耗成本，占总运行成本的 76% 以上。在电流密度 1 A/m 2 时，沉淀物和浮渣中的非晶态形式占主导地位。与沉淀物相比，浮渣表现出弱晶结构，结晶度较低。然而，在电流密度为 2.5−7.5 A/m 2 时，浮渣和沉淀物的晶型类似，均为勃姆石（ boehmite ） 。
图
1
电极连接方式的影响
图 3 表明，初始 pH 主要影响钼去除速率，最终钼去除率差别不大（ >89% ），初始 pH 也影响着絮体的表面电位和阴阳极损失，由于铝的两性性质，在中性附近，阴极损失最低，总电极损失也最低。极化曲线研究结果表明，不同 pH 时，阴极的腐蚀电位均低于阳极腐蚀电位，暗示着阴极更容易发生腐蚀反应。不同电解质类型对铝电絮凝除钼具有较大的影响（ 图 4 ），无电解质时具有最高的钼去除率（ 98.9% ），然而因其电导率低，造成其能耗最高。 NaNO 3 电解质中去除率最低（ 22.8% ），一方面归因于不同电解质阴离子的竞争效应，另外，电解质也影响着电极的腐蚀反应和絮体的晶型与表面电位。并且，不同情况时铝阴极的损失明显高于阳极损失，归因于不同情况时铝阴极更低的腐蚀电位。适量浓度的 NaCl 可以强化铝电絮凝对钼的去除，并且降低能耗。但浓度过高，会抑制钼的去除 。
图 5 给出了初始 pH 为 6.7 时铝电絮凝和铝盐絮凝的除钼性能对比，可见，不同反应时间时，铝电絮凝除钼效率优于铝盐絮凝，由于铝电絮凝过程良好的 pH 缓冲效应，可以限制反应过程过大的 pH 波动（ 6.7−8.6 ），而对应于阳极和总电极损失时的铝盐絮凝的最终 pH 分别为 4.4 和 4.2 ，由于 Al(III) 的 Lewis 酸性和 Al(OH) 3 的沉淀，消耗溶液的碱度，造成铝盐絮凝过程溶液的 pH 急剧下降。絮凝过程最初即在水中引入了所有的铝盐，而铝电絮凝由于铝阳极的电化学溶解使新生态铝持续进入到水中，铝物种的利用效率更高，同时新生态铝物种可能具有更大的比表面积和反应活性，从而允许钼连续进入到铝絮体中。因此，在 60 分钟时，铝电絮凝的最终钼去除率（ 96% ）显著高于铝盐絮凝的去除率（ 8% 和 6% ） 。
絮体表征（ 图 6 ）和钼吸附实验结果表明，不同条件下浮渣中的晶型弱于沉淀物中的晶型，勃姆石是浮渣中的主要晶型，铝电絮凝去除水中钼的主要机理包括：静电引力、表面络合、羟基交换、絮凝和共沉淀。实验水样（湖水和河水）的处理结果表明（ 图 7 ），在 2 小时内和电流密度为 15 A/m 2 时，湖水和河水中的钼去除率分别高达 89.2% 和 71.2% ，显示出良好的实际水体处理效果 。
小结
总之，本研究阐明了铝电絮凝技术去除水中钼酸盐等含氧阴离子金属污染物时成本消耗的根本原因，为铝电絮凝技术去除性能的提高和运行成本的降低提供了相关策略和新的见解。考虑到铝电絮凝过程过多的电极损耗，特别是无谓的阴极损耗，未来的工作应该集中在优化电流密度、电荷负荷和电极配置，并选择合适的阴极材料，这有助于降低运行成本，特别是电极损耗和污泥处理的成本。此外，还需要使用中试装置进一步研究不同阴极材料的铝电絮凝对实际含钼水体的处理效国和机理 。
本项目得到了山东省自然科学基金委和烟台大学人才引进启动基金的资助。
作者简介
文章链接： https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.132608
投稿 ： 烟台大学土木工程学院吕建波教授/张伟副教授团队和河北大学王洪杰教授团队 。 投稿、合作 、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领 域 最大的学术公号 ，拥有 15W+活跃读者 。由于微 信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为 星标 ，或每次看完后点击页面下端的 “赏” ，这样可以第一时间收到我们每日的推文！ 环境人Environmentor现有综合群、 期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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