《Journal of Environmental Management》：FeMn-layered double hydroxide-modified carbon cloth combined with ion exchange membrane enhanced the degradation of ionic organic pollutants in the capacitive desalination/peroxymonosulfate system
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FeMn-LDH修饰碳 cloth与离子交换膜组成的混合电容去离子系统结合过硫酸盐活化，在低电压1.2V和1.0 mM PMS下实现94.9%的酸性橙7去除率，适应pH 3-8及共存阴离子干扰，同时有效去除Cu(II)-EDTA（83.1%）。
宋静凯|王晓宇|王凯|江振龙|王新宇|江凯|吴大鹏
环境学院，教育部黄河与淮河水环境与污染控制重点实验室，国际水处理关键技术联合实验室，河南师范大学环境功能材料与污染控制工程实验室，新乡，453007，中国
摘要
采用FeMn层状双氢氧化物（FeMn-LDH）改性的碳布（CC）和离子交换膜，通过混合电容去离子（HCDI）系统增强对离子有机污染物（IOPs）的吸附性能。该系统与过氧化单硫酸盐（PMS）活化技术结合，有效降解常见的IOPs，如酸橙7（AO7）。在1.2 V的低电压下加入1.0 mM的PMS后，FeMn-LDH-HCDI/PMS系统能够高效去除盐水中94.9%的AO7。该系统在宽pH范围（3-8）内均能有效去除AO7，并且受共存阴离子的影响较小。阳离子交换膜的存在增强了系统对AO7的电吸附作用，而FeMn-LDH通过金属元素的价态变化促进了PMS的活化。AO7的降解主要归因于PMS活化产生的•OH、SO??和1O?，同时处理过程中中间产物的毒性降低。此外，该系统在60分钟处理后对Cu(II)-乙二胺四乙酸（EDTA）的去除效率可达83.1%，显示出其在处理多种IOPs方面的潜力。
引言
随着工业化的快速发展，废水中的有机污染物已成为水污染的主要来源。这些污染物，如合成染料和抗生素，主要由离子组成或在溶液中可离子化，被称为离子有机污染物（IOPs）（Li等人，2024年）。IOPs具有多样的结构和类型，浓度高、毒性强、难降解且生化性质差（Song等人，2023年，2024b年；Wang等人，2025年）。在合成染料中，酸橙7（AO7）是一种有毒且具有致癌性的阴离子偶氮染料，化学式为C??H??N?NaO?S，常用于给天然蛋白质纤维（如羊毛和丝绸）及合成聚酰胺纤维着色，摄入后可能导致严重疾病（Greluk和Hubicki，2011年）。传统的水处理技术，如吸附、絮凝和生物降解，虽然可以去除有机物质，但存在效率低、二次污染风险高以及适应复杂废水能力差等问题（Jiang等人，2023年；Long等人，2022b年；Zou等人，2024年）。因此，开发高效且环保的IOPs去除技术已成为当前研究的重点。
电容去盐（CDI）技术于20世纪70年代提出，利用静电场将离子驱向电极两侧，通过双电层（EDL）实现脱盐（Chen等人，2023年；Karimirahnama等人，2025年）。由于其稳定性和能源效率，CDI在海水淡化、废水处理和资源回收领域受到越来越多的关注（Sheng等人，2025年）。最近，CDI技术被应用于IOPs的处理。在活性炭（AC）吸附-电化学双电层效应的作用下，CDI对阳离子染料的处理效果优于传统AC吸附（Senoussi和Bouhidel，2018年）。然而，在处理含有盐和有机污染物的纺织废水时，CDI仍面临电极污染和降解问题（Jeon等人，2024年；Karimirahnama等人，2025年）。有机物在电极表面的附着会导致CDI系统电阻迅速增加，从而降低吸附效率（Chen等人，2023年）。为了解决这一问题，一些研究将CDI与高级氧化工艺（AOPs）结合，以增强有机污染物的降解（Chen等人，2023年；Karimirahnama等人，2025年；Lei等人，2025年）。在各种AOPs方法中，CDI与过氧化单硫酸盐（PMS）基技术的结合引起了研究人员的广泛关注，因为该技术能生成高活性氧化剂（ROS），如•OH、SO??和1O?（Chen等人，2024年；Li等人，2023年；Yu等人，2024年）。Zhang等人提出了一种硼/PMS耦合的定制流动电解膜系统来处理Ni-EDTA废水，其中电解作用增强了PMS的活化，生成•OH并促进阳极室中Ni-EDTA的分解（Zhang等人，2023年）。Chen等人将氮掺杂电极应用于PMS耦合的膜电容去离子（MCDI）系统，以去除四环素（TC）和盐类，提高了盐的吸附效果和TC的去除率（Chen等人，2024年）。然而，传统CDI中使用的活性炭电极材料仍存在问题，如在高盐废水中对有机污染物的吸附能力有限以及PMS活化效果不佳。
层状双氢氧化物（LDH）是一种独特的二维（2D）材料，具有较大的阴离子交换容量、高比表面积和简单的制备工艺（Ma等人，2021年）。其结构特性在吸附和催化应用中具有巨大潜力（Gao等人，2019年）。目前，LDH广泛用于从废水中吸附阴离子（如磷酸盐）、重金属离子和染料，以及活化PMS以降解有机污染物（Chen等人，2019年）。Pan等人使用软模板方法制备了具有负电荷表面的三维Mg-Al LDH，其对AO7（485.6 mg/g）和MB（58.3 mg/g）的吸附性能良好（Pan等人，2020年）。Ma等人制备了Mg-Fe-LDH@生物炭复合材料，并用其有效活化PMS以降解水溶液中的多西环素（Ma等人，2021年）。已知改性碳电极材料可以增强CDI系统对特定离子的吸附能力，LDH改性的碳材料也能提高PMS的活化效果（Song等人，2024a年；Ye等人，2021年）。因此，用LDH改性碳电极可以提高CDI系统对染料的吸附能力，同时增强PMS的活化效果，从而提高IOPs的去除效率。
此外，为克服传统CDI中的共离子排斥效应，研究人员开发了使用离子交换膜的膜电容去离子（MCDI）技术（Wu等人，2022年）。尽管离子交换膜提高了CDI的电荷效率，但也降低了离子传输效率，尤其是在处理大分子量的离子物质时（Hassanvand等人，2018年；Jeon等人，2024年）。AO7的相对分子质量为350 g/mol，远高于常见的无机阴离子（如氯离子35.5 g/mol、硫酸根离子96 g/mol和硝酸根离子62 g/mol）。为了解决这些问题，MCDI配置去除了阳极侧的阴离子交换膜（AEM），从而增强了系统对阴离子染料AO7的吸附能力。这种方法允许AO7在阳极上无障碍地吸附，同时保持阴极侧阳离子交换膜（CEM）提供的增强电荷效率。使用LDH改性的电极作为阳极可以增强PMS的电活化，从而更有效地去除AO7（Zhang等人，2024年）。
在本研究中，AO7被用作代表性的IOPs，FeMn-LDH改性的碳布作为CDI的阳极，而阴极（碳布）覆盖有CEM，形成了一个混合CDI（HCDI）系统，增强了对阴离子染料AO7的吸附效果。通过向系统中添加过氧化单硫酸盐（PMS），期望电吸附、电活化和LDH对PMS的活化作用共同提高盐水中AO7的去除效率。研究了电极的结构特性和电化学稳定性，以及AO7在盐水中去除的效果和机制。还评估了该系统对其他难降解离子有机物（如Cu(II)-乙二胺四乙酸（EDTA，Cu-EDTA）的去除效率和速率。预计调整CDI的结构并将其与PMS活化结合，将提高盐水中IOPs的去除效率，并扩展其应用范围，超越单纯的脱盐功能。
材料与化学品
本研究用于电极制备的亲水性碳布（WOS1011，厚度0.36 mm）购自CeTech有限公司。炭黑（Vulcan XC-72，10-20 nm，纯度≥99.5%）购自上海Yien化工技术有限公司。
酸橙7（AO7）、过氧化单硫酸盐（PMS）、氯化钠（NaCl）和硝酸钠（NaNO?）购自上海Aladdin生化技术有限公司。氯化铁（FeCl?·6H?O）、氯化锰（MnCl?·4H?O）和氢氧化钠（NaOH）也来自该公司。
电极材料的表征
从低分辨率SEM图像（图2a）可以看出，合成的FeMn-LDH材料由层状堆叠的颗粒组成。高分辨率SEM图像（图2b）清晰显示了层状结构，与先前研究报道的LDH结构相似（Chen等人，2019年）。FeMn-LDH材料的SEM-EDS图像见图S1。EDS元素分析结果表明，Fe、Mn、C和O元素在材料上均匀分布。
结论
使用FeMn-LDH-HCDI/PMS系统成功去除了盐水中的阴离子染料AO7。表征结果显示，层状FeMn-LDH材料成功负载在碳布上，电极材料保持了良好的电化学稳定性。在本实验中，通过施加较低的电压并添加适量的PMS，实现了对盐水中AO7的有效去除。该过程受pH值和共存阴离子的影响较小。
CRediT作者贡献声明
宋静凯：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、数据分析、概念构思。王晓宇：撰写——初稿、可视化、方法学研究、数据分析。王凯：研究、数据分析。江振龙：研究。王新宇：研究。江凯：资源协调、项目管理。吴大鹏：资源协调、资金获取。
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的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22008057和22476042）和河南省自然科学基金（编号242300421189）的支持。
