利用Ti-Ti电凝聚和活性炭对纺织废水进行可持续的双阶段处理以实现水回用：合成废水与工业废水的对比研究

《Environmental Nanotechnology, Monitoring & Management》：Sustainable dual-stage treatment of textile wastewater using Ti-Ti electrocoagulation and activated carbon for water reuse: a comparative study of synthetic and industrial effluent

本研究采用钛钛电极电凝聚结合活性炭过滤处理珊瑚宁海军蓝3G染料和小型印染废水，优化pH、电压、反应时间等参数后，染料去除率达99.6%，小型印染废水达99.49%，显著降低COD、BOD等指标，钛电极稳定性优异且能耗较低（1.11-0.553 kWh/m3），证实该方法高效、经济且可持续的纺织废水处理方案。

　　

作者名单：Sahaya Leenus Sebastian、Jovitha Jane David、M.S. Asath Murphy、Sasirekha Vanarajan、Jegathambal Palanichamy、Kavitha Subbiah、Parameswari Kalivel

印度泰米尔纳德邦哥印拜陀卡鲁尼亚科技与科学学院物理科学学院（化学系），邮编641114

摘要

本研究评估了一种双阶段处理方法对Coralene Navy Blue 3G染料和小型染色工业（SSI）废水的有效性，该方法采用钛（Ti-Ti）电极进行电凝聚（EC），随后通过活性炭（AC）过滤。选择钛电极是因为其具有耐腐蚀性、稳定性以及产生的二次污染物较少。为了优化脱色效率（CRE），对关键操作参数（如染料浓度、pH值、电压、反应时间和电解质浓度）进行了优化。在最佳条件下（110 mg/L、pH 7、15 V、15分钟），染料3G的脱色效率达到93%，经活性炭处理后提升至99.6%。同样，在最佳条件下（pH 7.1、10 V、10分钟），SSI废水的脱色效率为98.1%，经活性炭处理后提升至99.49%。该方法显著降低了COD、BOD、TDS和TSS的含量。FT-IR和HPLC分析表明染料溶液/废水中的化学物质发生了降解和成分变化，ICP-OES检测确认钛离子被有效还原至允许的水平（染料3G为0.001 mg/L；SSI废水为0.22 mg/L）。SEM、XPS和EDAX分析揭示了污泥的不同形态和化学变化。染料3G的处理能耗（1.11 kWh/m3）高于SSI废水（0.553 kWh/m3）。总体而言，Ti-Ti电凝聚结合活性炭过滤是一种经济高效、可扩展且可再生的纺织废水处理方法。

引言

在包括印度在内的许多国家，水资源短缺已成为一个严重问题。印度是全球第二大服装和纺织品生产国。作为印度最古老的产业之一，纺织业对国家经济具有重要贡献。（Palanisamy和Kavitha，2010）泰米尔纳德邦是重要的纺织品生产中心，以针织品、毯子、功能性纺织品、成衣和丝绸纱丽以及染色工艺闻名。（Raja和Venkatesan，2010）纺织业对印度经济影响显著，不仅促进制造业发展，还创造就业机会，并从其他国家赚取外汇。（Allam等人，2023）该行业目前占印度出口收入的16.63%、GDP的4%以及工业生产的约14%。纺织业雇用了约3500万人，是印度第二大就业领域。（Lellis等人，2019）该行业的扩张对印度经济产生了重大影响。印度纺织业以其与丰富文化和传统的紧密联系而闻名于世。（Sharma和Narula，2020）泰米尔纳德邦埃罗德区（Erode District）约40.32%的人口从事非农业职业。尽管有现代技术的发展，传统手工织布工艺仍然非常流行。（David等人，2024）埃罗德、切尼米莱（Chennimalai）及周边地区以棉质纱丽、床罩、毛巾和家用纺织品闻名。Bhavani和Jambai是重要的纺织生产基地。埃罗德、切尼米莱和Gobichettipalayam则是原棉加工的重要中心。（Bharathi等人，2017）由于纺织业与印度文化的紧密联系，了解其需求对于其高效和可持续发展至关重要。（Cawthorne，1995）

纺织业由于大量使用合成染料，是全球工业水污染的主要来源之一。（Islam等人，2023）这些染料在未经适当处理直接排放到水体中时，会对环境造成严重危害。（Wong等人，2018）它们的持久性、毒性和破坏水生生态系统的潜力促使人们深入研究有效的治理技术。（Shanmugamoorthy等人，2023；Jamrah等人，2025）在泰米尔纳德邦，尽管单个小型染色厂规模较小，但总体上对环境造成较大污染。（Nelliyat，2012）由于电凝聚（EC）操作简便、兼容性强且产生的污泥较少，因此成为处理纺织染料废水的常用物理化学、生物和膜过滤方法之一。（Dutta等人，2022）然而，能耗高和电极降解问题限制了其广泛应用。电极材料的选择对电凝聚过程中的脱色效率（CRE%）有显著影响。（Al-Saati等人，2019）常用的电极材料包括铁、铝、石墨、不锈钢和铜，它们的性能、耐用性和产氧能力各不相同。传统电极（如铁和铝）寿命较短，易发生阳极溶解。（Prabha等人，2013；Al-Qodah等人，2024）高能耗是阻碍电凝聚技术改进的主要障碍，需要进一步研究节能电极材料和工艺优化。（Güne?和G?nder，2021；Bani-Melhem等人，2023）钛-钛（Ti-Ti）电极因其耐腐蚀性、稳定性和多功能性而成为有前景的选择。（Safwat等人，2023）传统电极材料（如铁和铝）虽然产氧能力强，但耐用性和阳极溶解性较差。（Sqalli Houssini等人，2024）相比之下，钛（Ti）凭借其优异的耐腐蚀性、稳定性和多功能性成为有前途的电极材料。（Trompette，2022）

本研究旨在探讨使用Ti-Ti电极以经济高效的方式处理染料废水。选择Ti-Ti作为阳极和阴极是为了利用其耐腐蚀性和高效脱色能力，同时减少二次污染物的产生。与混合电极相比，使用相同材料简化了系统设计并保证了性能一致性。此外，采用电凝聚后接活性炭过滤的混合工艺提高了处理效果，确保处理后的水可安全再利用。

表1和表2列出了Coralene Navy Blue 3G染料及其SSI废水的基本特性和初始参数。图1展示了Coralene Navy Blue 3G染料的分子结构。选择Coralene Navy Blue 3G作为研究模型染料，是因为它在纺织业中广泛应用，尤其在纺织品和合成面料染色中，且具有强烈的颜色强度和在废水中的持久性。其稳定性和抗生物降解性使其成为评估电凝聚效果的理想代表。虽然本研究聚焦于单一代表染料以确定初始效率和优化工艺参数，但电凝聚技术适用于多种类型的染料。

绿豆（Vigna radiata）是一种匍匐一年生植物，可长到90厘米高，适合温暖环境，耐高温（最高35°C），生长周期为75至90天，适应多种土壤。（Kudre等人，2013）该植物甚至能在干旱和半干旱地区生长。绿豆是泰米尔纳德邦第二大农作物，种植面积达33.3万公顷，而在干旱和半干旱地区则扩展至约45万公顷。（Na Jom等人，2011）本研究的目的是分析处理样品对绿豆的植物毒性影响，并与未处理对照组进行比较，以评估其是否适合农业再利用。盐生卤虫（Artemia salina）与水生生态系统密切相关，因此对污染物非常敏感，其无节幼体是急性毒性测试的常用模型。与成年Artemia相比，无节幼体对有毒物质更敏感。Artemia物种常用于评估重金属和农药等污染物的急性毒性（El Fels等人，2016）

本研究的主要目标是优化操作参数（如电位、初始pH值、染料浓度和反应时间），以实现Coralene Navy Blue 3G染料和小型废水的高脱色效率。此外，通过对比分析，旨在突出Ti-Ti电凝聚系统相较于传统和替代处理方法的优越性，为纺织废水处理提供有效解决方案。

与光催化、生物处理和芬顿过程相比，电凝聚（ECP）具有以下优势：

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与需要持续添加化学试剂的芬顿过程不同，ECP过程中产生的混凝剂是原位的。

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对于难生物降解和颜色深的纺织废水，ECP效果更佳；对于顽固染料，所需的生物处理量较少。

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操作简单，处理时间快，产生的污泥较少。

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相比需要紫外线/太阳辐射、催化剂及后处理催化剂回收的光催化，ECP的操作复杂性更低。

然而，ECP的缺点包括电极劣化和较高的电能消耗。由于理想操作条件因电极类型而异，电极材料的选择对脱色效率有显著影响。常用的电极材料包括铁、铝、石墨和不锈钢，它们具有较高的产氧能力但寿命较短。电凝聚技术的主要缺点是处理过程中耗电量大，而传统材料（如铝和铁）易发生阳极溶解。（Amdan等人，2018）

实验过程

本研究处理了来自埃罗德区一家小型染色厂的合成染料3G溶液和实时废水，并进行了对比分析。收集的废水样本来自使用偶氮染料混合物的工厂，但具体成分和染料名称未知。图2展示了电凝聚装置和样品。

Ti-Ti电极在Coralene Navy Blue 3G废水处理中的应用

脱色效率（CRE%）受多种操作参数影响，包括pH值、电压、接触时间、初始染料浓度以及电极浸入溶液中的表面积。实验使用模拟的Coralene Navy Blue 3G溶液，并调整了多个参数以观察其效果。最佳操作参数下的最大脱色效率见图3。

结论

本研究评估了Ti-Ti电极在电凝聚后结合活性炭过滤处理Coralene Navy Blue 3G染料和SSI废水的效果。在最佳条件下，染料的脱色效率达到99.1%，SSI废水的脱色效率达到99.49%。UV-Vis、FT-IR和HPLC等分析技术表明污染物已被分解或消除，XPS分析揭示了形成的混凝剂类型。

作者贡献声明

Sahaya Leenus Sebastian：撰写初稿、方法设计、资金申请、数据分析。

Jovitha Jane David：撰写与编辑。

M.S. Asath Murphy：撰写与编辑。

Sasirekha Vanarajan：方法设计、数据分析。

Jegathambal Palanichamy：项目监督。

Kavitha Subbiah：数据可视化与验证。

资金支持

作者感谢Jayaraj Annapackiam女子学院（自主学院）通过JAC/2022–2023/JACFRP – Scholar/7计划提供的项目资金支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢卡鲁尼亚科技与科学学院物理科学学院（化学系）和水研究所提供的研究支持。同时，也感谢Jayaraj Annapackiam女子学院（自主学院）的仪器中心在研究中的宝贵贡献。