近日，成都理工大学水土污染协同防治科研团队在环境领域著名学术期刊《Water Research》（中科院一区，NI期刊，IF=11.5）上发表题为“Electrochemical reduction for chlorinated hydrocarbons contaminated groundwater remediation: mechanisms, challenges, and perspectives”的论文。本论文系统地总结了电化学还原脱氯的机理和研究进展，在理解电子转移机制和地下水常见氯代烃污染物分子结构对还原脱氯的影响的基础上，深入探讨催化剂设计促进电化学还原脱氯过程的最新进展，并阐明了催化剂材料的实际应用与挑战。探究了地下水氯代烃有机污染修复在实际应用中的多技术耦合研究进展并且科学讨论了实验室研究与实际应用之间的差距。论文的结尾讨论了与这些技术相关的环境影响，并提出未来的研究方向与展望，以期制定出更可持续、更有效的修复策略。第一作者：余东 博士研究生
通讯作者：蒲生彦 教授
通讯单位：成都理工大学
https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123149
提出了电化学技术在实际地下水修复中面临的挑战和前景
氯代烃是农药、医药、皮革、染料制品等化工产品等领域重要原材料和有机溶剂。这类物质因其稳定性强、污染隐蔽性高和环境难修复性，已成为地下水污染治理领域的突出难题。电化学还原脱氯技术通过直接或间接电子转移实现高效、选择性的氯原子去除，具有快速启动、清洁环保、减少二次污染等优势，展现了在地下水污染原位修复中的巨大潜力。电化学还原脱氯过程的核心是电子从阴极转移至污染物分子，断裂碳-卤素键。直接电子转移（DET）通过电极与污染物分子直接作用，将电子注入目标分子，诱发C-Cl键断裂。DET可进一步细分为协同和逐步机制，两者的差异在于电子转移和键断裂的时间顺序，其中协同机制表现出更高的反应效率。相比之下，间接电子转移（IET）主要依赖于原位生成的还原性物种，间接促进污染物的还原脱氯。但其反应速率较慢，对途径鉴定构成挑战。近年来，通过优化催化剂表面特性，调控催化剂的配体环境和双金属协同效应，显著提升了H*的生成和利用效率，从而增强了脱氯性能。电催化加氢脱氯（EHDC）的前景在于将优化的催化剂与先进的反应器设计相结合（图1）。这种方法不仅提高了脱氯过程的效率，还延长了催化剂的操作寿命，使EHDC成为大规模地下水环境修复中更可行、可持续的技术。在电化学还原过程中，具有较高静电势（ESP）和较低局部电子亲和势（LEA）的氯代烃分子（如氯代羧酸和氯代芳香烃类），其氯原子更容易通过直接电子转移（DET）方式去除（图2）。 图2 不同地下水氯代烃ESP、LEA值
在地下水氯代烃污染的修复中，生物电化学还原修复技术的结合是一种前沿的修复策略。电活性微生物可以通过细胞色素或纳米导线与电极直接交换电子，显著提升脱氯效率。微生物电化学系统利用电极作为电子受体，增强微生物生长和脱氯反应。可以通过外加电位或人工电子载体（如腐殖酸、黄素等），进一步加速电子转移速率。然而，实际应用中，场地的空间异质性和电子供体/受体的不足，仍然是修复过程中的瓶颈。
图3 电化学还原结合生物修复技术在地下水氯化烃修复中的研究和应用现状
为克服这一挑战，地下水循环井（GCW）技术被广泛应用，通过水力驱动形成三维循环流场，有效改善电子供体的分布状况，并具备低成本、扰动小和普适性强等优点。通过结合微生物强化修复，GCW与地下水电解法（EGCW）可以为原位生物降解提供电子受体和供体，显著促进污染物的降解。通过耦合电化学还原技术与地下水循环井技术，不仅可以提高对难降解有机污染物的修复能力，还能够调控地下水污染物的迁移，为地下水原位修复提供了一种新型、低碳低能耗的技术方案，实现了修复效果的最大化。
图4 电化学循环井研究和地下水中氯化烃修复应用的现状
将电化学还原修复技术从室内实验扩展到实际氯代烃污染场地应用，面临诸多技术挑战。首先，扩大电化学系统时，需确保电极配置的有效性以提高电子转移效率，并优化系统的质量传输、功率消耗和电池电压等关键设计标准。电极材料的耐久性也是一个重要问题，尤其是在地下水高腐蚀性条件下，电极的寿命会受到影响。采用新型合金涂层和碳基材料涂层等技术是提升电极耐腐蚀性的有效途径。此外，地下水环境中的pH值、离子强度和水流动力学等因素也会显著影响电化学还原修复的效果。通过调节水动力条件改善微生物与污染物和电极的接触时间、增加电子供体的供应，进而提高微生物的降解活性。在这些条件下，电化学修复技术可以通过提供额外的电子供体，进一步支持微生物的代谢过程。未来的研究除了侧重于优化电极材料和配置以增强微生物之间的相互作用，还开发能够承受环境变化的更强大的电化学反应系统，并扩大这些技术的应用范围。
图5 多技术耦合在地下水修复中的应用和挑战
在地下水氯代烃电化学还原修复过程中，由于卤化分子的还原不完全，可能会生成具有较高毒性的中间化合物，优化电化学参数以控制反应路径至关重要。此外，将降解路径与脱氯代谢结合，设计复合菌群以进一步降解中间产物，是有效的改进方向。可以预见，基于纳米技术和3D打印技术定制高效催化剂，分子生物学提高生物表达水平，机器学习与人工智能可优化修复过程、预测污染物修复结果并自动调整操作参数，推动修复系统的智能化发展。通过引入氧化还原协同作用、改良催化剂和氧气供应方式，可进一步提高污染物的降解效率，应用于大规模地下水修复应用中。最后，论文在实际应用、电极优化、环境健康、资源回收和多技术耦合等方面提出相应展望，以制定更可持续和有效的修复策略。
图6 未来技术应用的前景
本研究得到了国家重点研发计划场地土壤污染成因与治理技术重点专项“地下水原位同步修复一体化设备”（2020YFC1808300）、区域创新联合基金重点项目（U22A20591）等的资助。
