光驱动膜光电解析技术高效去除水中铅离子的研究

为解决工业废水中铅(Pb2+)污染问题，研究人员开发了基于n-BaFeO3-x/p-CuO半导体和离子交换膜(IEMs)的光电解析系统。该研究通过可见光驱动实现71%-80%的Pb2+去除率，为可再生能源驱动的重金属治理提供了新策略。

　　

铅污染是威胁环境和人类健康的重大挑战，尤其对儿童神经系统发育具有不可逆损害。传统处理方法如化学沉淀、电絮凝等存在高能耗、二次污染等问题，而光催化技术虽环保却受限于催化剂稳定性。如何开发高效、可持续的重金属去除技术成为环境工程领域的研究热点。

阿尔及利亚阿尔及尔大学工程反应实验室（Laboratory of Engineering Reaction, USTHB）的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表创新成果，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基离子交换膜(IEMs)与n型BaFeO_3-x/p型CuO半导体电极结合，构建了光驱动膜光电解析系统。该系统利用可见光激发半导体产生电场，驱动铅离子通过阳离子交换膜(CEM)并在CuO光阴极还原，实现了80%的Pb²⁺去除率。

研究采用四大关键技术：1）通过相转化法制备PMMA/PATSA阳离子交换膜和PMMA/PANI阴离子交换膜；2）硝酸盐路线合成BaFeO_3-x和化学沉淀法制备CuO半导体；3）莫特-肖特基测试和光电流分析表征半导体能带结构；4）三室电渗析装置评估铅离子迁移与还原效率。

膜表征结果

制备的IEMs具有优异机械性能（拉伸强度5.3-11.0 MPa）和适中离子交换容量（2.1-2.5 meq/g）。FTIR证实膜中含有PATSA的磺酸基团（1165 cm^-1）和PANI的醌式结构（1598 cm^-1）。透析实验显示电场可使Pb²⁺迁移率从19%（纯扩散）提升至92%。

半导体特性

XRD证实合成的BaFeO_3-x和CuO为单相结构，禁带宽度分别为1.68 eV和1.30 eV。莫特-肖特基测试确定其平带电位为+0.32 V和+0.59 V（vs SCE），能带位置分析显示CuO导带（-0.39 V）足以还原Pb²⁺（-0.37 V）。

光电解析性能

在20 mW/cm² LED光照下，6小时内实现80% Pb²⁺光还原，通量达21 μmol m^-2 s^-1。太阳光照射时效率为71%，差异源于光照角度变化。能带分析表明Cl^-氧化消耗空穴，有效抑制了半导体光腐蚀。

该研究创新性地将膜分离与光电化学结合，开发的系统具有三大优势：1）利用可再生光能驱动；2）通过n/p半导体自建电场降低能耗；3）IEMs-PMMA复合材料增强机械稳定性。相比传统电渗析，该技术能耗降低约60%，为工业废水处理提供了可持续解决方案。未来通过优化膜结构和反应器设计，有望实现更高通量与更长周期稳定性。