论文标题：Intensifying electrified flow-through water treatment technologies via local environment modification

期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者：Zheng-Yang Huo , Xiaoxiong Wang, Xia Huang, Menachem Elimelech

发表时间：02 Nov 2023

DOI： 10.1007/s11783-024-1829-y

Special issue:Towards a pollution-free planet 

清洁安全的饮用水是人类赖以生存的重要资源。然而，水生态环境的安全与健康利用仍面临诸多挑战，特别是在工业化与城市化进程中产生的高风险、持久性污染物对水资源安全利用、水生态环境修复造成了巨大威胁。美国耶鲁大学Menachem Elimelech院士结合水中新型污染物控制最近研究进展，提出通过电极局部反应环境调控可有效强化穿透式电化学水处理技术，节能、高效、绿色地去除水中高风险染物。同时，研究团队展望了局部反应环境调控穿透式电化学水处理技术潜在应用场景，并提出了电极规模化低成本制备、装置循环稳定运行、全生命周期评价等研究需求（图1）。

图1 局部反应环境调控穿透式电化学水处理技术优势

穿透式电化学处理技术可有效去除水中污染物。在穿透式电化学水处理技术中，待处理水样可从多孔电极内部穿过。污染物可通过强化对流传质快速靠近电极表面，实现快速高效去除。穿透式电化学水处理技术具有效率高、通量高、集成容易、绿色节能等优势，被广泛应用于水污染治理（图2a）。

穿透式电化学处理需电极局部反应环境调控、进一步提升效率与选择性。水环境中新兴高风险污染物（持久性有机污染物、药品与个人护理品、病原微生物、氮磷等营养物质、金属离子）具有浓度低、降解难、赋存基质水质复杂等特性。这些难题使得高风险污染物难以被常规穿透式电化学处理技术快速、选择性地去除。因此，通过限域空间修饰、局部电场强化、微环境流场优化等一系列局部反应环境调控策略可有效提升水环境高风险污染物的去除效率与选择性（图2b）。

图2 局部反应环境调控穿透式电化学水处理技术用于去除水中高风险、持久性污染物

局部环境调控可受穿透式电化学处理技术激发、提升处理效率。穿透式电化学水处理过程中特有的强化对流传质与水流挤压可迫使待处理高风险污染物快速进入调控后的电极表面，强化局部环境调控对新兴污染物快速、高选择性去除。此外，基于多孔结构的穿透式电极也为局部环境调控提供充足反应位点与催化剂暴露位置，有效提升了复杂基质中污染物除去的效率（图2c）。

明确应用场景、攻克应用难题至关重要。局部反应环境调控的穿透式电化学处理技术适用于饮用水深度处理与生活污水再生处理的场景，可有效去除复杂基质中低浓度、高风险、难降解污染物，保障用户用水安全与污水再生利用安全。基于大通量、易集成、低能耗等优势，穿透式电化学处理技术更适合小型化离散型使用，并可有效利用可再生资源（风能、太阳能）。此外，为进一步推进穿透式电化学处理技术的实际应用，未来需克服装置低成本规模化制备、电极循环稳定运行等难题，并从全生命周期角度对处理技术进行综合优化（图2d）。

文稿 | 霍正洋，中国人民大学

王潇雄，清华大学深圳国际研究生院

编校 | 高岳

作者简介

Menachem Elimelech is the Sterling Professor of Chemical and Environmen- tal Engineering at Yale University. His research focuses on membrane-based technologies at the water-energy nexus, materials for next-generation desalina- tion and water purification membranes, and environmental applications of nanomaterials. Professor Elimelech was the recipient of numerous awards in recognition of his research contributions. Notable among these awards are the 2005 Clarke Prize for excellence in water research; election to the US National Academy of Engineering in 2006; Eni Prize for ‘Protection of the Environment’ in 2015; and election to the Chinese Academy of Engineering in 2017, the Australian Academy of Technology and Engineering in 2021, and the Canadian Academy of Engineering in 2022. Professor Elimelech has advised 49 Ph.D. students and 45 postdoctoral researchers, many of whom hold leading positions in academia and industry. In recognition of his excellence in teaching and mentoring, he received the W.M. Keck Foundation Engineering Teaching Excellence Award in 1994, the Yale University Graduate Mentoring Award in 2004, and the Yale University Postdoctoral Mentoring Prize in 2012.

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本文内容来自FESE期刊2024年第18卷第6期发表的Perspectives文章“Intensifying electrified flow-through water treatment technologies via local environment modification。通讯作者为耶鲁大学Menachem Elimelech院士。

引用格式：Zheng-Yang Huo, Xiaoxiong Wang, Xia Huang, Menachem Elimelech. Intensifying electrified flow-through water treatment technologies via local environment modification. Front. Environ. Sci. Eng., 2024, 18(6): 69 https://doi.org/10.1007/s11783-024-1829-y

本文来自 Special issue - Towards a pollution-free planet

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Frontiers of Environmental Science & Engineering是由高等教育出版社、中国工程院和清华大学共同主办的环境领域综合学术期刊，聚焦环境领域前沿问题与研究成果，重点关注开创性、跨学科的研究，致力于打造具有国际影响力的高水平学术交流平台，是中国工程院院刊系列期刊、中国科技期刊卓越行动计划重点期刊。

主编：曲久辉院士，John Crittenden院士

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