南科大环境学院雷洋团队构建硅酸盐辅助电化学系统：pH-swing助力废水低碳资源回收

近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授雷洋团队在Environmental Science & Technology发表了题为“Electrochemically Assisted Calcium Silicate Utilization for Phosphate Recovery”的研究论文，并被选为当期Supplementary Cover。该研究创新性地构建了电化学辅助硅酸钙（EACS）系统，巧妙实现pH-swing功能。基于此，该无膜电化学填充系统实现了多种真实废水中的高效磷回收。此外，凭借pH-swing功能，该系统在直接空气碳捕集方面初显潜力，展现其在环境修复和工业应用领域的广阔前景。

电化学 pH 调控技术是当今水处理、碳捕集等工业领域的核心技术，但其实现通常依赖于离子交换膜，而膜组件成本高昂且易受膜污染等问题困扰。针对这一行业痛点，研究团队开发了电化学辅助硅酸钙系统（EACS），避免了离子交换膜的使用。该系统采用多孔网兜与惰性阳极结合的结构，其中阳极置于网兜内部，硅酸钙矿物则填充于网兜中并包埋惰性阳极（图1a）。在闭合电路下，硅酸钙与阳极生成的H⁺反应释放Ca²⁺，同时阴极生成的OH^-不断积累，显著提升溶液pH值（图1e），可在1小时内实现pH值从8.5到10的快速调节（图1b）。在高浓度Ca²⁺与碱性环境的协同作用下，废水中的磷以易分离的磷酸钙晶体形式沉淀，从而实现废水的高效磷回收（图1c）。

图1 电化学辅助硅酸钙系统回收磷的基本原理及可行性(a) 电化学系统示意图；(b) 不含磷情况下，电解5小时pH、Ca和Si的变化；(c) 含磷情况下，电解5小时内pH、Ca和Si的变化；(d) 体系中 P、Ca和 Si 的质量平衡；(e) 废水磷回收机理示意。

该无膜电化学pH调控系统在多种真实废水场景中展现出卓越性能，磷回收效率达88.4%~96.6%，磷回收能耗最低仅为24.4 kWh·kg P-1。针对酸性高磷工业废水，系统在16小时内实现94.6%的磷回收率（图2c）；处理磷浓度中等的真实尿液时，仅需6小时即可回收96.6%的磷资源（图2f）；面对低磷浓度的市政污水，系统3小时内便将磷含量降至0.5 mg·L-1以下（图2i）。该系统在各类实际废水中展现出的卓越效率和广泛适用性，为废水资源回收技术的革新开辟了新的路径。

图2 多种真实废水的高效磷回收 (a) WAC废水(b) WAC废水磷回收产物 (c) WAC废水的磷回收性能； (d) 真实尿液(e) 真实尿液磷回收产物 (f) 真实尿液的磷回收性能； (g) 市政污水 (h) 市政污水磷回收产物 (i) 市政污水的磷回收性能。

南方科技大学为论文唯一单位，南方科技大学环境科学与工程学院2023级硕士研究生罗巨为论文第一作者，助理教授雷洋为唯一通讯作者，课题组成员詹铮铄、李炜权、张鑫为研究做出重要贡献。该研究得到了深圳市科技计划项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市城市环境健康风险精密测量与预警技术重点实验室以及启动基金的联合资助。