近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授雷洋课题组，以"Importance of iron complexation and floc formation towards phosphonate removal with Fe-Electrocoagulation"为题在国际学术期刊Water Research上发表最新研究成果。该研究揭示了铁电絮凝(Fe-EC)系统中铁离子络合及絮凝过程对去除水中有机磷酸盐的重要作用。首次发现，在特定的无氧条件下，Fe-EC系统对有机磷酸盐的去除效率明显优于有氧条件。

随着工业的发展，有机磷酸盐作为阻垢剂被大量应用于RO膜处理系统和冷却循环水系统的排水中残留并积累。有机磷酸盐会在光照以及微生物的作用下持续释放PO₄^3‒，加剧水体的富营养化，造成藻华等污染。由于有机磷酸盐其分子结构的高度稳定性及对金属离子的强络合作用，导致现有的污水处理技术对其处理效果不佳，往往需要较长的处理时间或消耗大量能量。

针对这一问题，研究团队研究了成本低廉、条件可控，可以原位产生絮凝剂的铁电絮凝系统，具有在不同条件下对有机磷酸盐的去除效能，并深入研究了Fe-EC系统去除有机磷酸盐的机制。

图1.在有氧条件下Fe-EC从氯化钠溶液去除有机磷酸盐的过程中，TSP(a)以及溶液中残余铁(b)浓度的变化。有氧条件下Fe-EC去除NTMP实验的固体产物的SEM-EDS图像(c)，以及有氧和无氧条件下固体产物的拉曼光谱(d)和傅里叶红外光谱(e)图像

研究团队选用五种常见的有机磷酸盐阻垢剂作为实验对象来验证Fe-EC系统在不同条件下对有机磷酸盐的去除效能。实验过程发现，有机磷酸盐会与产生的氢氧化(亚)铁生成Fe-O-P键而被氢氧化(亚)铁吸附(图1)，有氧条件下有少量的有机磷酸盐被亚铁离子氧化过程产生的活性物质降解，但絮体生长的过程中也会消耗部分与有机磷酸盐的结合位点，导致去除效果下降。

图2.在无氧条件下Fe-EC从氯化钠溶液去除有机磷酸盐的过程中，总溶解磷(TSP)(a)以及溶液中残余铁(b)浓度的变化

出乎意料的是，在无氧条件下(图2)，Fe-EC系统对有机磷酸盐的去除效率明显高于有氧条件(图1)，能用更少的铁和能量消耗达到更高的去除效果。这证明了(亚)铁离子的络合对Fe-EC系统去除有机磷酸盐起到积极作用。而无氧或者缺氧的环境在真实的污水处理系统中较为常见。该发现有助于开发无氧Fe-EC反应器，实现更高效的有机磷酸盐去除。

图3.有氧和无氧条件下Fe-EC处理真实冷却水过程中pH(a)、TSP(b)和残余铁浓度(c)的变化

研究团队在机理研究的基础上进一步测试了Fe-EC系统在复杂水体环境中去除有机磷酸盐的性能并评估其经济价值。结果表明，真实冷却水中的共存物质(如Ca²⁺等)的架桥与强中和作用促进了水中有机磷酸盐的去除。在有氧条件下，仅需2分钟电解即可将TSP浓度下降到0.5mg/L以下(图3)，达到排放标准。经计算，每处理一吨的真实冷却水的运行成本仅需0.009欧元，低于高级氧化和化学絮凝等工艺。

该研究具有重要基础理论意义和潜在应用价值，它阐明了铁离子的络合以及絮体生成对Fe-EC系统去除有机磷酸盐的重要性，并发现Fe-EC系统在无氧条件下的有机磷酸盐去除效率显著高于有氧条件。这一发现有助于在无氧或者缺氧的真实污水处理过程中开发新型Fe-EC反应器，为开发新型有机磷酸盐去除工艺带来了新的启示。

南方科技大学2022 级环境科学与工程学院硕士研究生胡海洋为论文第一作者，博士后宋冰囡为共同作者，雷洋为通讯作者。南方科技大学是论文唯一单位。该成果得到广东省基础与应用基础研究基金、深圳基础研究专项(深圳市自然科学基金)、深圳市高等院校稳定支持计划、深圳城市环境健康风险精密测量与预警技术重点实验室、高水平专项基金以及南方科技大学启动基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122117

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

主图：丘妍

编辑：任奕霏