《Environmental Pollution》：Electrochemical remediation technologies for persistent organic pollutants in soil and water
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本文系统综述了电化学修复技术对土壤及水体中持久性有机污染物（POPs）的治理机制，涵盖PFASs、OCPs、POHs及PAHs等典型污染物的降解动力学与电极材料优化，探讨电化学氧化还原与协同工艺的增效路径，并分析当前技术瓶颈与未来发展方向。
Ping Zhang|秦增|严龙春|肖宏宇|杨志辉|李玉春
中国长沙理工大学化学与制药工程学院，电力与交通材料防护湖南省重点实验室，长沙410114
摘要
目前，土壤和水中具有高毒性和低生物降解性的持久性有机污染物（POPs）对环境和人类构成了严重威胁。在各种修复方法中，电化学修复作为一种有前景的方法被提出，用于降解土壤和水中的POPs。首先，本文回顾了电化学修复POPs的工作机制，主要包括物理过程、电迁移、电化学氧化、电化学还原和电凝聚。然后，简要总结了土壤和水中POPs的分类、毒性效应及环境来源。以全氟和多氟烷基物质（PFASs）、有机氯农药（OCPs）、多氯/多溴有机烃（POHs）和多环芳烃（PAHs）为例，全面回顾了电化学修复技术的最新进展。为了进一步提高POPs的降解效率，还强调了电化学修复与其他修复技术的结合应用。最后，提出了电化学修复POPs所面临的挑战和未来发展方向。本文不仅总结了最新研究成果，还为电化学修复POPs领域的相关研究提供了方向。
引言
过去几十年里，由于持久性有机污染物（POPs）的毒性及其在环境中的持久性，它们已成为一个重大的环境问题[1]。各种人为活动，如采矿、农业生产和工业生产，导致了POPs的产生，对生态系统和人类健康构成了威胁[2]。例如，农药、有机溶剂、药品等化学品的使用日益增加，进一步加剧了POPs的广泛分布[3]。《斯德哥尔摩公约》最初列出了12种POPs，随后又陆续增加了其他POPs[4, 5]。POPs的释放导致环境介质和生物系统的严重污染[6, 7, 8]。POPs在食物链中的生物累积和放大作用使得多种物种长期暴露于这些污染物中，引发了急性和慢性健康问题[9, 10, 11]。因此，迫切需要有效的修复方法来降解土壤和水中的POPs。最近，提出了多种物理、化学、生物或其他组合策略来修复POPs[12, 13]。物理修复方法主要包括吸附、离子交换、膜分离和混凝絮凝，可以快速去除悬浮颗粒和部分有机污染物[14]。然而，这些方法存在降解不完全、成本高、去除效率低以及产生副产品等局限性[14]。化学修复方法通过强氧化反应分解有机污染物，具有高效率和快速效果[15]。高级氧化技术（AOPs），如臭氧氧化、光催化氧化和芬顿反应，对于修复土壤和水中的POPs非常有效[16]。这些技术通过生成活性羟基自由基或其他氧化剂，将POPs降解为无害产物[17, 18, 19]。例如，臭氧可以直接氧化POPs或生成羟基自由基来攻击POPs[17]；芬顿反应则利用过氧化氢和铁盐生成羟基自由基快速降解POPs[19]。总体而言，AOPs能够有效破坏POPs的化学结构，实现高效且针对性的修复。不过，化学修复方法往往受到高成本、操作过程复杂以及产生有毒副产物或终产物的限制[15]。生物修复方法主要包括生物修复和植物修复，通过微生物代谢或植物吸收来减少污染物[20]。然而，这些方法受到反应速率慢、成本高、效率低和成本效益比不佳的局限[20]。因此，开发新型高效的修复技术对于加速POPs的降解至关重要，以实现更快、更全面和可持续的污染去除。
目前，电化学修复技术因其在POPs降解方面的有效性而受到广泛关注。电化学修复的主要优势在于使用方便、可连续在线处理、能够精确控制反应条件，并且对额外化学试剂的需求较低[21]。电化学修复通常分为电化学氧化和电化学还原两种类型[22]。电氧化过程中，电极表面生成氧化自由基或活性物种，将POPs降解为无害产物[23]；电还原过程中，POPs分子中的卤素键或其他官能团被电子还原，使其转化为危害较小或可生物降解的物质[24]。与传统修复方法相比，电化学修复技术不仅能够有效降解污染物，还能灵活控制反应路径，兼具环境友好性和高效率[25, 26, 27]。例如，Sharma等人总结了全氟和多氟烷基物质电化学降解的最新进展[28]；Mirabediny等人系统总结了全氟和多氟烷基物质电化学氧化的研究进展，强调了进一步研究降解机制和优化能耗以促进其工程应用的必要性[29]；Bian等人系统总结了卤代有机化合物电化学降解的关键电极材料及其最新进展[30]。然而，对其工作原理、应用潜力及局限性的系统评估仍较为有限。因此，对土壤和水中POPs的电化学修复技术进行全面评估显得十分及时和必要。
鉴于POPs对生态系统和人类健康的影响，本文旨在全面介绍土壤和水中电化学修复技术。首先介绍了电化学过程中的基本反应机制，重点关注促进POPs分解或转化的降解过程。随后总结了代表性POPs电化学修复的最新进展，包括实验室研究和实际应用情况，以展示当前的成果和局限性。此外，还指出电化学修复常与其他处理技术结合使用以提升修复效果。最后，提出了未来发展的方向和挑战，旨在推动电化学方法成为长期有效的POPs修复方案。
电化学修复的工作机制
电化学修复利用外加电场促进污染物的迁移和转化[31, 32, 33]。在电化学修复过程中，污染物被输送到电极上，在电极表面或电解质内部发生降解[33, 34, 35]。本节总结了土壤和水中电化学修复的机制。
通过电化学修复去除POPs
本文根据POPs的化学结构和环境来源将其分为四类：全氟和多氟烷基物质（PFASs）、有机氯农药（OCPs）、多氯或多溴芳香化合物（POHs）和多环芳烃（PAHs）。本节系统概述了这四类物质的电化学修复机制、反应特性、电极材料及一些修复案例。
挑战与未来展望
POPs在土壤和水中长期稳定存在并具有生物累积性，通过食物链在生态系统和人类健康中造成持久性毒性。本文讨论了电化学修复POPs的最新研究进展。首先，全面总结了电化学修复POPs的主要机制。由于篇幅限制，主要讨论了电化学修复过程。
CRediT作者贡献声明
肖宏宇：方法学设计、数据调查、数据分析。严龙春：方法学设计、数据调查、资金筹集。秦增：数据分析、概念构建。张萍：项目管理、资金筹集、概念构建。李玉春：数据分析、数据管理、概念构建。杨志辉：方法学设计、资金筹集
利益冲突声明
作者声明与本研究无利益冲突。我们声明与所提交的工作无关任何商业或关联利益。
致谢
本研究得到了长沙理工大学2024CL04自由探索开放基金的资助。作者感谢各位朋友的帮助以及审稿人的宝贵意见和建议。
