科大工学院开创新型水净化技术 精准聚合污染物 经济效益提升近倍
废水处理是全球环境保护与公共卫生的重要课题。香港科技大学（科大）近日取得重大科研突破，成功揭示一种崭新的「无氧化剂电催化」机制，为水净化技术开辟全新方向。与现行技术相比，该技术能精准识别并锁定目标污染物，将能源更有效地集中于关键处理环节，在显著提升净化效率的同时，经济效益提高近一倍。
此项研究由科大土木及环境工程学系讲座教授劳敏慈教授领导的团队完成，成果已发表于《自然通讯》，论文标题为「Iodine-mediated proton-coupled electron transfer enables selective polymerization of organic pollutants in an oxidant-free electrocatalytic system」。研究团队成员包括科大副研究员郑泽校博士、博士生张金、博士后研究员Jonathan J. CALVILLO SOLÍS博士、哲学硕士生张佑铭，以及科大校友Ashutosh KUMAR教授、关小红教授和董浩然教授。
在现行的废水处理技术中，业界普遍采用「高级氧化程序」降解水中的有机污染物。然而，传统技术通常需要消耗大量氧化剂，对「总有机碳」（Total Organic Carbon，简称TOC）的去除效果相当有限，并容易产生具毒性的中间副产物。解决这些问题的主要方法是采用聚合反应，将可溶性酚类污染物转化为不溶于水且具疏水性的聚合物，以便后续分离和回收。然而，此过程存在动力学失衡的问题，加上缺乏对污染物的选择性，相关技术的处理效率和整体成效一直未如理想。
劳教授表示：「现行废水处理技术充分发挥聚合反应处理废水的潜力，必须突破传统框架，克服动力学失衡的限制，并提升对目标污染物的选择性。我们这项研究的重大突破，在于发现了一种崭新的机制，能够精准锁定有害的可溶性污染物并进行选择性聚合，将其转化为不溶于水且具附加价值的产物。这项突破不仅提升废水处理效能，更为环境资源回收开辟新方向。」
团队以自制的富碘氧碘化铋涂层碳布（I-BiOI@CC）阳极作为案例，发现两种不同传输动力学之间的协同作用，会造成高度选择性的聚合。首先，碘封端表面充当「分子挂钩」，与酚羟基形成专一氢键（Hδ+···Iδ⁻），即使在复杂基质中，也能准确捕捉污染物。然后，在温和阳极极化下，表面碘发生高度稳定、可逆的氧化还原转变（3I⁻ ⇌ I₃⁻）。
这两套机制的协同效应形成了一种经优化的电子传递介体，能平稳地从吸附的酚类捕捉电子，使局部自由基通过热力学上有利的邻位C–O偶联路径进行自偶合。这实现了可回收聚合物与水的有效分离，同时避免过度氧化。
劳教授解释：「透过质子与电子转移的耦合动力学，这套电催化系统能实现高达97.1%的聚合选择性。我们的实验证明，未来的水净化技术毋须带破坏性或依赖大量化学药剂，而是可以达到高选择性，同时促进资源回收。」
在去除污染物的效率方面，该机制不仅在广泛pH值范围（pH 5-9）及复杂化学环境下表现卓越，与矿化导向技术比较，其能耗比更降低了2至4个数量级，令经济效益提升近一倍。由于新技术的能耗只需要每公斤TOC耗电2.93度，大幅降低操作成本。去除每公斤TOC，成本仅为约0.3美元，显示出新机制强大的市场应用潜力。
值得注意的是，该机制在操作过程中毋须添加任何外部氧化剂，更具环境安全性。研究团队进行的仿真测试与实验显示，新技术有效降低二次污染风险，并消除化学品运输带来的潜在危害，提升其在不同工程环境下的应用安全性。
此外，此项研究还建立了一个更全面的可持续性评估模型，用以预测新技术对环境及生态的影响。不同于传统生命周期评估主要聚焦碳排放这一单一领域，该模型涵盖18个不同环境影响领域。结果显示，与标准芬顿系统比较，新技术的碳足迹为负值（-42.78 kg二氧化碳当量）。96小时斑马鱼胚胎试验及费氏弧菌测试均显示，废水经处理后，生物毒性显著降低，并能支持斑马鱼胚胎健康及正常地发育成为幼鱼，为生态保护提供了更全面的物理标准。
对于未来发展，劳教授寄予厚望。她说：「在下一阶段，我们期待开展更大规模研究，以评估这种科技在实际工业应用中技术、经济效益与可持续性。」
（原文由香港科技大学环球事务及传讯处在此发布。）
