紫外激活辅助电化学工艺用于矿井水深度矿化与资源回收

把脏乱的矿井水变成有用资源

煤炭开采会产生大量咸而受污染的水。传统上，这类废水被视为昂贵的负担：难以净化、处置成本高，在缺水地区更是错失的资源机会。本研究展示了紫外光与电能如何协同作用，不仅能擦除高盐矿井水中顽固的污染物，还能将处理后的产物转化为有价值的化学品和可再利用的水，为更清洁的采矿和资源循环利用指明了方向。

为什么咸矿井水难以净化

每开采一吨煤几乎会产生近两吨矿井水。经过膜法的部分处理后，剩下的是富集的卤水，含有复杂的有机分子、盐类和其他污染物。这些有机物来自地下溶解物、机械润滑剂和橡胶颗粒，化学性质稳定，具有疏水性且不易降解，因此传统的高级氧化方法（如臭氧）或常规电化学处理很难将其完全破坏。现有的结晶回收方法能回收水和盐，但通常仅产出低附加值的硫酸钠，且严重依赖外加化学品，限制了其经济吸引力。

协同利用光与电

研究者设计了一种“紫外激活辅助电化学工艺”（UAEP），将紫外光与精调的电化学单元结合。矿井水在金属阳极与钯涂层阴极之间流动，同时受到紫外照射。许多顽固有机分子含有对光敏感的环状结构和吸收紫外能量的功能基团，在被光激发后变得更具反应性，从而更容易被在电极处产生的短寿命自由基——高度活性的氧和氢形式——攻击。在真实高盐矿井水试验中，UAEP去除了约90%的总有机碳和近60%的总氮，明显优于臭氧、芬顿试剂及几种常见电化学配置。

追踪分子如何被分解

为详尽观察数千种不同有机物在处理过程中的变化，团队使用了荧光成像映射和超高分辨率质谱等先进工具。这些技术显示紫外光与电化学作用于分子“群体”的不同部分。紫外光倾向于断裂较大、富含芳环的分子并断开硫和氯的键，将其转化为更小的片段和毒性更低的形式。相比之下，电化学部分则推动许多有机物朝更高度氧化、类似羧酸的结构转变，最终走向二氧化碳和简单离子。当两者在UAEP中结合时，系统覆盖了更广的初始化合物范围，并引导它们沿比单一方法更深的分解路径演化。

有利于更清洁结果的自由基“舞蹈”

对代表性污染物己内酰胺（caprolactam）的实验揭示了底层化学机理。单独的紫外照射在实际浓度下几乎不影响该分子，而单独的电化学处理也难以完成降解。但在UAEP中，己内酰胺几乎被完全去除，其碳氮含量大部分随之消除。通过选择性阻断不同反应物种的实验显示，原子氢和羟基自由基是关键角色。紫外光改变了自由基的平衡，减少了可能生成不良副产物的氯化氧化物的形成，同时增强了更可取的羟基自由基。实际上，该过程构建了一个动态的氧化与温和还原反应网络，共同作用以切割并矿化即便是顽固的有机物。

闭环化利用有价值的产物

去除有机物只是部分成果。经过UAEP处理后，澄清的咸水被送入电渗析装置，电渗析在不发生堵塞的情况下分离并浓缩剩余盐分，这得益于先前去除了易结垢的有机物。该浓缩卤水随后进入双极膜电渗析单元，将盐分分解为酸和碱流，同时产生淡水。在超过1000小时的长期试验中，系统持续实现了高效的有机物与氮污染去除，产出几乎纯净、可再利用的氢氧化钠、工业可用的酸以及适合回用的清洁水。矿井水不再以受污染废物和低价值盐类告终，而成为清洁水和有价值化学品的来源。

对采矿与缺水地区的意义

对非专业读者而言，关键结论是：顽固的高盐矿井水不必继续成为昂贵的环境负担。通过巧妙结合紫外光与电化学，并配合现代膜分离，作者展示了一条分解复杂污染分子并将残留盐类转化为有用产品的路径。随着光波长与电条件的进一步优化，此类系统可助力产煤地区节约用水、降低处理成本并回收化学品，把采矿活动更接近真正具有经济价值的“零液体排放”。

引用: Liu, X., Chai, Y., Gu, Y. et al. UV-activated assisted electrochemical process for mine water deep mineralization and resource recovery. Nat Commun 17, 3369 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70043-9

关键词: 矿井水处理, 紫外电化学工艺, 高盐废水, 资源回收, 双极膜电渗析