极性反转机制在基于电芬顿（electro-Fenton）的复合系统中实现了铜的循环利用，有效抑制了Cu(II)的释放，并增强了双酚A（BPA）的降解效果

《Journal of Environmental Management》：Polarity reversal enabled copper cycling in an electro-Fenton-based combined system for suppressed Cu(II) release and enhanced BPA degradation

本研究将电极极性反转整合至铜基电芬顿系统，实现Cu(II)循环利用，有效降低二次污染。实验表明，极性反转使BPA去除率从83.6%提升至93.8%，出水Cu(II)浓度降至1.6 mg/L。机制研究表明极性反转增强单线态氧生成1.2倍，且2DCOS分析显示对蛋白质类物质降解优先。实际废水验证证实系统稳定可行，为解决铜基技术金属泄漏问题提供经济可持续方案。

　　

徐志|熊文远|周晨璐|刘子怡|滕春英|王子宁|吕浩岩|张明|张海峰

中国吉林省东北电力大学化学工程学院，132012

摘要

基于铜的类芬顿技术在水处理方面具有巨大潜力，但其主要瓶颈在于Cu(II)的二次污染问题。本研究将电极极性反转技术引入基于铜的电芬顿系统中，实现了铜离子在电极之间的“摇椅式”循环。与传统被动补充方法不同，这种策略首次实现了Cu(II)从环境负担向可回收资源的转变。在30分钟的极性反转过程中，BPA的去除率从83.6%提高到了93.8%，同时出水中的Cu(II)浓度从13.6 mg/L降低到了1.6 mg/L。通过优化反转频率和采用三电极设计，电芬顿反应器的BPA去除率分别达到了93.4%和91.6%，残留Cu(II)浓度降至0.53 mg/L。机制研究表明，极性反转使单线态氧的生成量增加了1.2倍，2DCOS分析显示该技术对实际废水中的蛋白质类物质具有优先降解作用。实际废水处理验证证明了该系统的稳定性和可行性。这项工作将长期存在的Cu(II)污染问题转化为可回收资源，提供了一种简单、经济且可持续的极性反转策略，推动了类芬顿技术在废水处理中的实际应用。

引言

新兴有机污染物（EOCs）在全球水体中的广泛存在引发了严重的环境和公共卫生问题（Niu等人，2023；Wang等人，2026）。这些化合物包括工业添加剂、药品和个人护理产品，具有难降解性、强生物毒性和生物累积潜力，从而威胁水生生态系统和人类健康（Ramírez-Malule等人，2020；Samal等人，2022）。双酚A（BPA）是一个特别普遍的例子，由于其在塑料和树脂生产中的广泛应用，经常在自然水和废水排放物中被检测到（Feng等人，2025；Kova?i?等人，2023；Sun等人，2023）。传统的水处理工艺往往无法完全去除这些微量污染物，导致它们进入饮用水源和食物链（Amer T. Nawaf等人，2023；Azizi等人，2022）。因此，迫切需要开发先进、高效和可持续的技术来有效消除BPA等EOCs，以减轻其负面影响。

高级氧化工艺（AOPs）因其能够生成活性氧化剂（ROS）而成为废水处理的有前景的方法，这些氧化剂可以有效矿化难降解的有机污染物（Ferreira等人，2025；Humadi等人，2023；Teng等人，2025）。其中，基于芬顿的系统因其成本效益高、处理效率高、环境毒性低和操作简便而受到广泛关注（Wang等人，2025）。然而，传统的芬顿工艺受到有效pH范围狭窄和产生大量铁污泥的限制（Li等人，2025）。相比之下，基于铜的类芬顿系统提供了一个有吸引力的替代方案（Teng等人，2022）。由于Cu(OH)₃的溶解度较高，这些系统在更宽的pH范围内有效运行，并且所需的催化剂负载量显著降低（Teng等人，2023）。尽管有这些优势，基于铜的系统的实际应用仍面临两大挑战：铜离子渗漏带来的潜在生态风险，以及反应机制的不确定性——特别是自由基和非自由基途径的作用尚未明确（Chen等人，2019；Long等人，2023）。因此，阐明反应途径、提高催化效率以及开发有效的铜回收和回收策略对于推进基于铜的类芬顿技术的可行性和可持续性至关重要。

电化学技术在有机污染物的降解和矿化方面表现出优异性能，并且与多阶段处理系统具有良好兼容性（Dube等人，2025；Jing等人，2025；Shaymaa Hamza Anbr等人，2025）。然而，其广泛应用仍受到多种技术障碍的制约，其中电极材料的高成本和复杂制备是关键瓶颈（He等人，2024）。其他限制还包括催化剂处理问题、操作pH窗口狭窄和高能耗（Luo等人，2020；Mohammed等人，2026）。与专注于开发新型或复合电极材料的研究不同，本研究采用了一种以工艺为导向的优化策略，使用市售的纯金属电极。通过优化操作参数和系统配置，该方法旨在提高有机污染物的去除效率，同时避免传统电化学系统中的材料相关复杂性和高成本。因此，这种方法为电化学水处理技术的进步提供了一种实用、经济且可扩展的替代方案。如果通过系统级优化能够实现显著的效率提升，这种方法将为追求更复杂的电极材料提供实用的替代方案。电极极性反转作为一种创新的环境修复策略已经出现（Li等人，2016；Zhou等人，2023），通过同时防止电极污染和提高系统可持续性，有效缓解了关键的操作挑战（Lu等人，2014）。在电凝聚过程中，周期性极性反转通过有效的表面清洁维持了电极的最佳活性（Jang等人，2024）。该技术在电去离子化系统中表现出色，显著减少了膜污染并延长了操作寿命（Lee等人，2012）。结合极性反转的微生物电化学系统具有加速启动和改善的操作稳定性（Chu等人，2022）。这种方法在磷去除系统中也有效，实现了连续操作和稳定的处理效果（Lei等人，2022）。将类芬顿过程与极性反转相结合是电化学水处理的一个显著进步。这种双功能方法通过一个操作简单但高效的流程同时解决了电极耐用性和催化剂利用率两个关键问题。通过在单一框架内解决多种限制，该策略为实际水处理应用提供了有前景和可持续的解决方案。

在基于铜的电芬顿系统中，从阳极释放的Cu(II)与H₂O₂反应生成ROS，从而有效降解有机污染物。然而，持续的阳极腐蚀和过量的Cu(II)释放通常会导致高运行成本和出水中的Cu(II)浓度升高，限制了实际应用。为了解决这些问题，本研究提出了一种新的周期性电极极性反转策略。通过将这种方法引入基于铜的电芬顿过程中，我们首次实现了铜离子在电极之间的“摇椅式”闭环循环，实现了持续的高降解效率，同时大幅减少了Cu(II)的损失和排放。具体来说，从阳极释放的Cu(II)在初始阶段被电吸附到阴极上。极性反转后，负载Cu(II)的阴极成为新的阳极，将吸附的Cu(II)重新释放到溶液中，从而在最小的Cu(II)消耗下保持强大的催化活性。这种自我调节的循环机制有效控制了出水中的Cu(II)浓度，从根本上降低了二次污染风险。选择BPA作为模型EOC来评估该Cu(II)循环系统的性能和机制。通过识别主要ROS并定量分析各种途径的贡献，对降解过程进行了彻底研究。此外，该系统中电芬顿和类芬顿反应的结合显示出处理复杂实际废水的强大潜力。通过优先考虑工艺优化而非新型材料开发，这项工作为难降解有机废水的处理提供了一种经济且可持续的策略，实现了高催化活性与最小化金属渗漏之间的关键平衡。

化学物质

本研究中使用的化学物质详细信息见支持信息的Text S1。废水样本取自中国吉林省某医院的综合排放物。

电极预处理

纯铜（Cu）、石墨（Gr）、铁（Fe）、铝（Al）、不锈钢（SS）和钛（Ti）板（2 cm × 10 cm × 3 mm）由金属材料研究所（上海，中国）提供。使用前，所有电极均使用300目湿砂纸进行机械抛光。

电极材料对BPA去除的影响

图S5展示了不同处理系统之间BPA去除效率的比较评估。Fe/Al、Fe/Fe、Al/Al电凝聚系统的去除能力有限（180分钟内<25%），而电芬顿系统通过类芬顿反应生成ROS，显示出显著提高的去除效率。在评估的过渡金属催化剂中，Cu(II)表现出优异的催化性能，具有宽pH适用范围和低用量。

结论

本研究提出了一种创新的电极极性反转策略，驱动铜离子在电极之间的“摇椅式”迁移和循环，实现了Cu(II)的有效再生和再利用。该方法有效解决了传统工艺中常见的金属渗漏问题。在优化条件下，系统实现了93.8%的BPA去除率，并将残留Cu(II)浓度降至1.6 mg/L，取得了显著改进。

CRediT作者贡献声明

徐志：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、概念化。熊文远：撰写——初稿、形式分析、数据管理。周晨璐：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、软件、研究。刘子怡：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、软件。滕春英：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、资金支持

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52300034）和吉林省自然科学基金（编号20260102123JC）的支持。