- 研究團隊開發的電化學平台能同時處理鹽分與重金屬。
- 該平台使用電化學離子泵，通過調整電壓控制離子流動。
- 系統在測試中去除了大部分鹽和金屬，並保持高純度。
- 此技術可降低廢水處理的成本，提升資源回收效率。
電子製造和金屬加工所產生的工業廢水中包含兩種污染物，當前技術通常分開處理：高鹽濃度和有毒重金屬。這種分開處理的方式成本高昂，且常常會產生危險的鹽水或重金屬污泥。來自萊斯大學和範德比大學的研究人員開發出一個單一的電化學平台，能同時處理這兩個問題。該平台還可以將不同的金屬分離到不同的回收流中。該團隊由萊斯大學土木與環境工程副教授林世宏領導，他同時也是萊斯水資源科技研究所的成員。
第一作者為萊斯大學的博士後研究員徐龍乾。
電化學平台的工作原理
林世宏表示：「傳統的海水淡化技術，如反滲透，可以去除鹽分，但無法從背景鹽中選擇性地分離有價值或有毒的金屬離子。與此同時，化學沉澱可以去除金屬，但依賴於添加化學物質，並且經常會產生危險的污泥。」該平台使用電化學離子泵（EIP），通過電極從廢水中提取離子，並將其釋放到單獨的接收流中。這一關鍵創新在於將電極的電勢作為一個控制每種離子作用的旋鈕。當電壓超過某一特定值時，銅和鈉都會進入接收流中，系統就純粹作為一個淡化器運作。
當低於該閾值時，銅則會附著在電極表面，而不會通過。鹽分則繼續流動。這一硬件在僅僅通過調整電壓的基礎上，可以執行完全不同的功能。
林世宏表示：「我們的方法用快速變化的電路取代物理溶液切換，使得離子能夠在系統中持續朝一個方向移動。」在對含鈉和銅的合成廢水進行測試時，系統去除了 90%的鹽，幾乎將所有的銅都保留在電極上。「系統去除了 90%的鹽，同時幾乎所有的銅都保留在電極上，而不是進入鹽水中。」林世宏確認。更引人注目的結果來自一個三組分的混合物。通過使用五電極的 EIP 堆疊，團隊調整電壓，使銅附著在電極上，而鎳和鈉則繼續移動。
經過四小時，系統去除了 85%的鹽和超過 92%的兩種金屬，而它們最終卻在不同的位置。幾乎所有的銅都停留在電極上，而幾乎所有去除的鎳則移入接收流中。電極上收集的銅相對於鎳的純度達到 96%。
技術的優勢與應用
林世宏表示：「我們的結果顯示，EIP 可以調整，以決定在處理過程中不同離子的去向。有些金屬可以在電極上捕獲，而鹽和其他離子則可以繼續通過正常的淡化途徑。」電子和金屬加工公司產生的廢水同時需要淡化和金屬提取。當前系統需要兩個獨立的處理過程、兩套設備和兩個有害廢物流。這一平台則能在一次過程中同時完成這兩項工作。通過將目標金屬與混合鹽水流隔離，該系統降低了下游的純化成本。
一旦電極被再生，就會產生一個富含金屬的流，準備進行回收。這一方法建立在林世宏團隊之前發表的三篇 EIP 論文的基礎上，發表於《Nature Water》和《Nature Chemical Engineering》。這項研究首次發表於期刊《Nature Water》。
新技術對工業廢水處理的影響
這項新型電化學平台的開發標誌著工業廢水處理技術的一次重要進步。傳統方法需要分開處理鹽分和重金屬，導致成本高昂且產生更多危險廢物。新技術通過調整電壓來同時去除這兩種污染物，能有效降低處理成本，並提高資源回收效率。隨著環保法規的日益嚴格，這種創新技術可能成為電子製造和金屬加工行業的關鍵解決方案，推動可持續發展。