近日，我院金华长博士联合浙江海洋大学於洋副教授在国际著名期刊《Water Research》(SCI 一区TOP 期刊，IF = 13.4)上发表题为“Subtle introduction of membrane polarization-catalyzed H2O dissociation actuates highly efficient electrocoagulation for hardness ion removal”的论文。

　　研究介绍

　　近年来，工业循环冷却水广泛应用于钢铁、冶金、发电、化工等工业领域。通常，此类水具有高硬度、高碱度和高电导率等特点，在长期的循环使用过程中，水分不断以不含盐的水蒸气形式蒸发，使得循环冷却水的含盐量逐渐增高，硬度离子易形成沉淀沉积在传热表面上，形成水垢。

　　这不仅会导致换热效率下降，而且会造成管道堵塞，使系统阻力增大，能耗增加，给工业正常生产造成极大的危害。因此，有效去除循环冷却水中的硬度离子具有重大的意义。

　　电絮凝（EC）是一种去除循环冷却水中硬度的方法。然而，缓慢的水解反应严重限制了絮凝物的形成，抑制了硬度的共沉淀，同时造成了溶解Al3+的二次污染。受传统电渗析中有害的膜污染现象的启发，本论文通过引入一种膜极化催化的H2O解离来显著提高电絮凝中的共沉淀效率。所得到的强化电絮凝工艺（MEEC）实现了318.9 g·h-1 ·m-2的硬度去除率和3.8 kWh·kg-1 CaCO3的能耗，这都优于迄今为止报道的其他常规硬度去除工艺。在电场诱导的膜表面离子耗竭区域内，离子交换膜的官能团与表面吸附的H2O分子之间的电子转移可以有效地催化H2O的解离，并且阳离子交换膜中的-SO3-比阴离子交换膜中的-N（CH3）3+更具催化活性（图1）。

　　图1  膜极化催化H2O解离的实验探究（a）电压-电流关系曲线；（b）差分电荷密度，电子积累/损失用黄色/青色标记，数字是–SO3-/–N(CH3)3+与吸附的H2O分子之间转移的电子；（c）–SO3-和–N(CH3)3+的水解离活化能；（d）水解离增强电絮凝去除硬度示意图。

　　这种特殊的膜表面H2O解离有利于在离子交换膜靠近阳极区域周围形成一个分布广泛、能够良好模拟的碱性区，促进了溶解的Al3+向絮凝体转化，从而增强了絮凝体的形成，避免了溶解Al3+的二次污染。此外，通过结合气洗再生法，MEEC在各种反应条件下具有良好的稳定性和普遍适用性（图2）。

　　图2  MEEC稳定性与优势评估（a）离子交换膜和电极的加速寿命实验中电压变化；（b）原始和受损的离子交换膜的FTIR图谱；（c）膜寿命与电流密度关系回归；（d）MEEC CEM在30个周期内的运行稳定性，实验条件：电流密度100 A m-2，流速40 L·h-1，pH为8.1，进水硬度350 mg·L-1，阻垢剂浓度2 mg·L-1；（e）原始铝阳极，不同周期后的铝阳极，以及气洗后的铝阳极的Tafel极化图；（f）氧化还原CV；（g）CV；（h）EIS；（i）MEEC与传统EC，EP,ED和RO工艺的硬度去除性能比较。

　　文章信息

　　金华长博士与浙江海洋大学陈东之教授为论文共同通讯作者，浙江海洋大学於洋副教授为论文第一作者，合作作者还包括浙江大学陈雪明教授。该研究工作由国家自然科学基金（No.52100108）、浙江省石油化工环境污染控制重点实验室开放课题（No.2021Y01）、浙江教育厅一般科研项目（No.Y202249024）、温州生态园科研项目（No.SY2022ZD-1002-04）的资助。

　　论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120240