论文标题：Efficient Metal Recovery from Industrial Wastewater: Potential Oscillation and Turbulence Mode for Electrochemical System

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.12.002

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随着工业化进程的加速，工业废水中重金属的污染问题日益受到关注。这些重金属不仅会对环境造成严重危害，还可能通过食物链累积，对人类健康构成威胁。与此同时，金属资源的短缺也促使人们寻求更高效的回收技术。清华大学环境学院的研究团队在《Engineering》期刊上发表了一项创新性研究，提出了一种基于电势振荡和旋流模式的电化学系统，用于高效回收工业废水中的金属。

图1 （a）随着电压/电流密度的增加，微观沉积过程的示意图。随着电压/电流密度的增加，该反应经历了电化学反应控制、扩散控制和副反应阶段。图中的LC和HC标记表示低浓度和高浓度区域。（b）瞬态电场和旋流下沉积过程的微观图。图中标记的φ1和φ2是瞬态电场周期内的高电平和低电平。（c）沉积反应器的外观图。（d）电解槽的内部部分。

传统的电沉积回收方法由于受到界面离子传输的限制，难以实现快速且高质量的金属回收。为了解决这一问题，研究团队提出了一种瞬态电场（TE）和旋流（SF）协同作用的新策略（TE&SF）。该策略通过同步增强体相传质和界面离子传输，显著提高了金属回收的效率和质量。研究中以铜的回收为例，系统地研究了操作模式、瞬态频率和流速对金属回收率的影响，并确定了最佳操作条件：低、高电平分别为0 V和4 V、占空比为50%、频率为1 kHz和流量为400 L/h。在此条件下，TE&SF电沉积的动力学系数分别是单一TE和SF电沉积的3.5~4.3倍和1.37~1.97倍。

研究团队通过仿真模拟进一步揭示了TE和SF协同作用的机制。结果显示，TE和SF的结合能够促进界面离子传输和电荷转移的高效耦合，从而实现快速且高质量的金属回收。这种联合沉积策略不仅提高了沉积动力学，还改善了沉积产物的形貌和质量。实验表明，TE&SF电沉积获得的沉积产物具有更均匀、更平整的微观结构，且表面粗糙度较低。相比之下，单一TE电沉积的产物表面较为粗糙，而单一SF电沉积的产物虽然较为平整，但均匀性较差。

此外，该研究还探讨了TE&SF电沉积策略在实际工业废水处理中的应用潜力。通过对含铜废水的处理实验，研究团队发现TE&SF电沉积能够在短时间内实现高效的铜回收，且回收效率超过99%。同时，该方法在处理贵金属（如银）回收方面也表现出色，其动力学系数和回收效率分别是TE和SF工艺的14.8倍和1.06倍。这表明TE&SF电沉积技术在处理多金属废水时具有广泛的适用性，能够实现贵金属和重金属的高价值回收。

研究还指出，TE&SF电沉积技术在能耗方面具有显著优势。在处理含重金属废水时，TE&SF工艺的总能耗约为9~10 kW·h/kg，与传统的重金属电化学处理方法相比，能耗水平较低。这一发现表明，TE&SF电沉积技术不仅能够提高金属回收的效率和质量，还能够在不增加过多能耗的情况下实现资源的循环利用。

图5 TE&SF电沉积条件下重金属废水的处理。（a）不同电沉积批次下的Cu2+浓度变化；（b）从TE&SF电沉积中回收的Cu图像；（c）电沉积过程中的电能和比能耗；（d）整个过程的能耗。

这项研究提出了一种创新的电化学系统，通过电势振荡和旋流模式的协同作用，实现了工业废水中金属的高效回收。该技术不仅提高了金属回收的动力学性能，还改善了沉积产物的质量，同时在能耗方面表现出色。这一成果为工业废水中重金属的回收和资源循环利用提供了一种有效的技术手段，有望在未来的工业废水处理中得到广泛应用。

论文信息：

Li Chen, Gong Zhang, Huijuan Liu, Shiyu Miao, Qingbai Chen, Huachun Lan, Jiuhui Qu. Efficient Metal Recovery from Industrial Wastewater: Potential Oscillation and Turbulence Mode for Electrochemical System. Engineering, 2024, 38(7): 184–193

开放获取：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.12.002

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