原位顺磁共振揭秘水环境修复节能新技术

:水污染一直是环境保护的重要问题之一。其中，难降解和不可生化的污染物更是水污染领域的“钉子户”。其中的内分泌干扰物，持久性有机污染物等，更是可能会带来致癌、致畸、致突变作用，甚至影响人类的内分泌系统，危害生殖健康。长期以来，紫外光/双氧水、紫外光/过硫酸盐、电化学氧化、芬顿氧化等高级氧化技术是处理这类难降解污染物最常见的方法。但是在这些方法中，双氧水的储存和运输存在很大的危险，在世界各地双氧水爆炸造成了严重的伤亡和经济损失。而相对较易储存的过硫酸盐，则会不断增加水体盐的含量，再加上紫外光或电能巨大的能量消耗，这导致了这类高级氧化技术的发展长期受限于成本和安全因素。

近日，同济大学的科研团队在国际学术杂志Small上（DOI: 10.1002/smll.201900153），报道了以先进的原位电化学顺磁共振技术作为理论研究基础，开发了一种基于自由基氧化的新型废水处理技术，无需外加化学氧化剂，采用间歇供电的策略，极大地节省了电化学污水处理的电能消耗，并解决传统方法外加过硫酸盐试剂带来的试剂成本和水体盐浓度上升的风险。文章的第一作者为同济大学化学科学与工程学院在读博士生蔡郡倬，通讯作者为赵国华教授。该研究同时获得了第十届全国环境化学大会口头报告一等奖（http://ncec2019.com）。

间歇供电节约电能消耗

传统的电化学氧化技术中，电能的消耗大使得许多企业对于这种望而却步。尤其是随着污染物浓度的降低，大量的电能消耗在水氧化上，而无法高效地降低有害成分。在该研究团队发展的新型电化学系统中，由于电极和电化学系统的特殊性，在断电情况下仍能有效氧化污染物一段时间。采用合适的通断电比例，相比于持续通电的情况下节约了电能消耗约40%，这使得这种方法在电能消耗方面具备了其他类似技术难以比拟的优势。如果经过合适的优化措施，还有望进一步降低电能的消耗，这将为水污染控制技术带来崭新的技术思路。

避免水体盐化和降低试剂成本

传统的基于硫酸根自由基的氧化技术中，需要不断地外加过硫酸盐才能维持系统的氧化能力，同时，过硫酸盐会转化成硫酸根离子，造成水体中硫酸盐的含量越来越高，对生态环境的健康造成了极大的威胁。然而该团队开发地新技术中，利用废水中原本存在的硫酸根离子，无需外加试剂，仅需要在间歇地低电位条件下即可活化产生强氧化性的硫酸根自由基。这种方法避免了不断地加入过硫酸盐，从而使得废水的盐浓度可以维持在一个适当地范围内。同时也避免了加入大量化学试剂带来的高额成本。

新型自由基机理

为了研究该系统中的自由基化学机制，团队与德国布鲁克公司合作，采用原位电化学顺磁共振仪结合自旋捕获技术对这种技术中的自由基进行的检测。研究表明，这种持续氧化的能力得益于特殊的电极和电解池结构，使得过二硫酸盐在体系中不断累积，而在断电情况下，这些累积的物质又会缓慢地活化为强氧化性的自由基，从而实现在断电阶段的持续氧化污染物。这种原位电化学顺磁共振测量方法，将继续为后续的一系列研究工作作为理论支撑

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