渗透耦合系统实现废水金属回收

    在我国加速城市化与工业化进程的新常态背景下，工业生产也不可避免地产生了大量重金属废水。以化学沉淀法为主的传统重金属废水处理技术因化学药剂消耗大、废物产量多、效率低等原因，已难以满足废水处理的经济性需求。因此，亟待提出更为高效的重金属废水处理策略，降低废水处理成本。实际上，重金属废水中蕴含着丰富的高值金属，具有巨大经济价值。如何实现废水金属回收，而不是简单去除金属，这是对重金属废水的高质处理提出的新挑战。因此，研发高效、环境友好的废水资源化与能源化技术，旨在最大化地从重金属废水中回收再利用有价资源已成为环境工程领域一个重要的研究方向，也是实现废水处理可持续发展的有效途径之一。本文创新性地提出了重金属废水处理协同资源及能源共生的新范式，利用电化学可持续氧化还原反应“助力”正渗透过程，实现了重金属废水的金属电还原回收，自发电能生成和继发正渗透水资源再生（废水减量化）等多效协同处理。

废水回收金属原理

EOS利用自发的电化学氧化还原反应将产生的化学能转化为电能。位于EOS驱动液腔室内的阳极氧化产物Fe²⁺可继发增加驱动液渗透压，利用渗透膜两侧渗透压差水自发地从EOS原料液（模拟废水）侧透过正渗透膜流向驱动液侧，实现水再生和废水体积减量化。阳极自发氧化释放的电子通过外接导线流向原料液腔室内的碳毡阴极，金属阳离子在碳毡阴极表面接受电子发生还原反应，实现了自发地的金属回收。由于自发的氧化还原电对，EOS阴阳极两侧继发形成了0.78 V开路电压。由于原料液中的金属离子不断被还原，致使原料液中的Cu²⁺浓度持续降低，渗透压持续降低，从而增大了两腔室间的渗透压差，进一步促进正渗透膜从废水中汲取水的效能。

废水回收金属性能模拟

    首先通过实验探明了驱动液pH与阳极氧化反应生成Fe²⁺浓度之间的线性关系。图2a表明EOS中驱动液pH越低，阳极氧化速度越快，转移的电子数越多，产生的电荷量越大。图2b为利用OLI软件模拟计算驱动液pH随阳极氧化的变化，图2c证明了随着氧化产物Fe²⁺的浓度持续增加，两腔室的渗透压差持续增大。通过不同pH条件下EOS中渗透压差的变化趋势模拟了EOS产生水通量随溶解Fe²⁺的变化规律。基于上述模拟结果，初步验证了驱动液的低初始pH值可加速阳极氧化速率，是EOS同时获得较高的驱动液渗透压以及正向水通量的决定因素。

    本研究首次提出自发、可持续电化学-渗透耦合电镀废水资源化与能源化技术。该系统巧妙地将自发Fe/Cu²⁺电化学氧化反应和正渗透过程相结合，在无能量输入和药剂消耗条件下实现了电镀废水自主资源回收，能源再生和废水减量化。EOS系统也显示了较好的应用前景，为可持续、环境友好的废水资源化和能源化技术的发展提供了理论基础。