基于蓝藻生物炭粒子电极的3维电化学系统对磺胺甲恶唑的降解

遵循“以废治废”理念,以机械打捞后的太湖蓝藻这一典型固废为原料,采用高温热解和酸/碱处理的方法制备了环境友好的蓝藻基生物炭,并将其作为3维电化学系统(3DES)中的粒子电极,用于高效催化氧化降解去除水中的典型抗生素磺胺甲恶唑(SMX)。经过热解及酸/碱改性后,生物炭更大的比表面积和更丰富的孔道结构提高了SMX在粒子电极表面的富集能力;而蓝藻中原有的铁、氮等元素掺杂在热解生物炭中有效提高了体系中活性氧物种的产生量,使得体系对SMX的去除率和矿化率均显著提高。在最佳制备和运行条件下(粒子电极制备条件:700℃热解和碱改性;3DES运行条件:电流600mA、溶液pH为6、粒子电极用量1.00g/L、水流速300 mL/min、电解质Na_(2)SO_(4)浓度50mmol/L),SMX在120min内去除率可达96%以上;6h后,水体总有机碳(TOC)去除率可达94%。机理研究表明,3DES中,SMX降解的间接氧化作用(占比84.32%)大于直接氧化作用(占比15.68%);间接氧化中,HO^(·)和SO_(4)^(·-)在体系中均被检出,但是,未检测出超氧自由基和单线态氧;而相较于SO_(4)^(·-),HO^(·)对SMX的降解占主导地位(间接氧化中HO占比87.31%)。在连续循环使用6次后,3DES对SMX的去除效率仍能保持在85%以上。研究结果为基于蓝藻生物炭粒子电极的3DES在水处理领域的应用提供了技术支撑和理论依据。

质子交换膜电化学系统动态特性及控制策略研究进展

回顾了近年来质子交换膜(PEM)电化学系统瞬态温湿度场测量和性能评价的相关研究,以及循环启停及长期运行下的系统控制策略(包括PID、神经网络及模糊控制等)。由于PEM系统运行涉及传热传质、电化学反应等复杂过程,理论建模比较复杂;数据驱动模型能够有效结合理论模型及实验数据、且求解简单。近年来新发展的智能PID控制策略在多输入多输出系统中具有较好的抗扰性和响应速度。通过与数据驱动模型结合,被认为是准确预测PEM系统的性能和寿命、提升PEM电化学系统动态性能的有效方案。

电化学系统内Feammox/NDFO耦合工艺脱氮效能和机理

针对目前Feammox/NDFO耦合工艺启动慢、脱氮效能不理想等缺陷,提出基于电化学原理强化Feammox/NDFO耦合工艺的策略.实验室内搭建生物电化学系统(BES)序批式厌氧反应器(B组),同时以不加电化学系统的普通厌氧反应器(A组)为对照组.A、B两组反应器共运行100d,分析了两反应器Feammox/NDFO耦合工艺启动过程中的脱氮效能、脱氮路径验证及种群结构组成,并探讨了BES系统Feammox/NDFO强化脱氮的机理.结果表明,实验组(B组)内NH_(4)^(+)-N去除率显著提高,第76d去除率趋于100%,TN去除率达65.83%;而对照组(A组)在第100d时,对NH_(4)^(+)-N和TN的去除率分别为50.22%和43.01%.脱氮路径验证实验结果表明,A、B组反应器内均有Feammox、NDFO、Anammox反应发生;并且B组反应器内反硝化速率明显大于A组.高通量测序结果表明,B组中铁循环脱氮功能菌中Desulfobacterota菌门的相对丰度较A组提高了2.34%;Thiobacillus和Denitratisoma丰度较A组分别提高了1.13%和0.87%.BES反应体系加速富集铁循环脱氮功能菌群,并可通过BES电极进行胞外电子转移,从而达到增强脱氮效能.

生物电化学系统强化厌氧消化的机理和底物效应

研究了生物电化学系统(BES)强化厌氧消化的机理以及不同底物对强化效果的影响。实验结果表明,BES生产的沼气中甲烷浓度可以稳定提高,同时可以避免产酸阶段挥发性脂肪酸积累造成的不稳定。当底物分别为葡萄糖和乙酸钠时,BES反应器中的甲烷浓度和甲烷产率均高于传统厌氧消化反应器。当底物为葡萄糖时,单批次投料的平均甲烷浓度为71.7%。当底物为乙酸钠时,单批次投料的平均甲烷浓度最高可以达到85.4%,单日池容甲烷产率最高为1.24 m^(3)·m^(-3)d^(-1)。通过对BES反应器中的微生物进行高通量测序分析,发现可以通过还原CO_(2)来生成甲烷的古菌微生物群落的占比高达82.2%,体现出BES中还原CO_(2)的产甲烷菌占主导。实验结果表明,BES对丙酸盐有明确的降解效果,在15天内反应器中的丙酸盐浓度由1100 mg·L^(-1)下降至10 mg·L^(-1),能避免底物的过度酸化。

基于Cu掺杂BiOBr光阴极的生物光电化学系统降解典型抗生素的特性及微生物群落响应

抗生素难以生物降解且会诱导产生抗性基因,对生态环境和人体健康均造成威胁,因此,抗生素废水的高效处理意义重大.本研究制备了Cu掺杂的BiOBr光阴极,并与生物阳极耦合,构建生物光电化学系统(biophotoelectrochemical system,BPES),用于降解抗生素.结果表明,Cu-BiOBr较BiOBr具有更优异的光电化学性能.光照条件下的BPES在48 h内对初始浓度为20 mg·L^(-1)的阿莫西林(AMX)的去除率达91.38%.此外,适当曝气可提高BPES对AMX的去除.当AMX与盐酸四环素(TC),磺胺甲恶唑(SMX)在BPES中共降解时,降解过程均受到不同程度的抑制.根据鉴定的AMX的降解中间产物,推断了AMX的降解路径.BPES的阳极生物膜上的微生物主要以电活性细菌Geobacter为主,其对抗生素具有较高耐受性以及降解能力.

结晶多孔材料基阳极在微生物电化学系统中的研究进展

阳极在微生物电化学系统中起着至关重要的作用,它充当电活性细菌的载体并促进电子转移。然而,微生物电化学系统的阳极的设计仍然面临着阻碍其实际应用的挑战。近年来,结晶多孔材料(金属有机框架和共价有机框架)因其优异的导电性和生物相容性而作为微生物电化学系统中的阳极材料引起了广泛的关注。本文综述了微生物电化学系统中结晶多孔材料阳极的研究进展,并对其存在的问题和发展前景进行了展望。

微生物电化学系统中金属氧化物和硫化物基阳极的研究进展

在微生物电化学系统中,阳极作为电活性菌的载体和电子传递的媒介,起到了至关重要的作用。然而,阳极的设计依然存在着挑战,限制了微生物电化学系统的应用。最近,由于良好的电导率和生物相容性,金属氧化物和硫化物作为微生物电化学系统的阳极材料得到了广泛关注。本文综述了在微生物电化学系统中金属氧化物和硫化物基阳极材料的研究进展,同时针对存在的挑战进行了总结与展望。

电化学系统噪声分析进展

综述了电化学系统中噪声的起源 ,噪声信号的测量以及在时频域内噪声信号的分析方法 .

微型电化学系统中的微电流测量

介绍了一个微型电化学系统中的微电流测量技术.在电路面积和元件精度受限的情况下,通过电流-电压转换电路的设计,实现了高灵敏度和大量程.通过单片机中的数字校准,补偿了模拟元件带来的误差.该系统对于微电流测量的分辨率达到pA量级,精度达到0.1%,是一套适合工业应用的高集成度和高精度的系统.

生物电化学系统还原二氧化碳产甲烷研究进展

生物电化学系统还原CO2合成燃料或有机化工产品近年来已成为环境微生物学的研究热点。首先就生物电化学系统的工作原理、生物电化学系统还原CO2产甲烷的阴极功能微生物、生物电化学系统还原CO2产甲烷的机制、生物电化学系统的反应器及影响生物电化学系统还原CO2产甲烷的因素等方面的研究进展进行了综述,然后分析了生物电化学系统还原CO2产甲烷存在的问题,并讨论了其今后的重点研究方向,以期为生物电化学系统还原CO2产甲烷研究提供参考。

应用一种无膜生物电化学系统还原冶铋废水中Cu(Ⅱ)的研究

考察了将一种放大的无膜生物电化学系统(Membrane-freeBioelectrochemical Systems,MF-BES)应用于阴极还原实际铋冶炼废水中Cu(Ⅱ)的可行性.在选定的预处理条件下(pH=2.47—3.27),废水中Fe3+沉淀分离的去除率最高达到(99.60±0.04)%,同时Cu2+的损失率可控制在(9.31±0.06)%.循环伏安分析显示,酸性废水(pH=2.0)中的Fe3+/Fe2+等离子使Cu(Ⅱ)/Cu(Ⅰ)的还原峰负向移动,干扰铜还原反应的发生,加大了铜还原的难度.以含铜的铋冶炼工艺废水作为阴极液,Cu(Ⅱ)还原去除过程为一级动力学反应(R2=0.985).120h内,MF-BES中的总铜质量由(87.56±4.38)mg降至(0.74±0.04)mg,去除率大于99%,出水含铜浓度(T[Cu]=0.15mg/L)符合国家污水综合排放(GB8978-1996)一级标准.Cu(Ⅱ)被还原为晶体单质Cu,Cu2O和CuCl,并沉积在阴极板上.

微生物电化学系统处理含氮废水研究进展

作为全球性的水体污染物,近年来氮素的去除受到越来越多的重视。传统的脱氮工艺通常有不同程度的脱氮费用较高、容易产生二次污染、需要后续处理工艺等缺点。近年来,基于微生物电化学系统(BES)的脱氮过程因具有能耗低,剩余污泥产生量少,以及可同时脱氮脱盐等多种优势,正越来越被各界关注。作者从BES反应器结构、电极材料选型以及不同操作条件(pH、DO、碳源类型和C/N)等三个方面进行阐述,并提出这一领域未来可能的研究方向。

生物电化学系统硝基酚降解与其结构关系研究

实验构建了有隔膜的生物电化学系统(BES)系统,考察一硝基酚的3种同分异构体,邻硝基酚(ONP)、间硝基酚(MNP)和对硝基酚(PNP)的降解与其结构的关系。分析了在不同阴极电位和水力停留时间下的降解情况,比较了硝基酚的电子云密度、前线轨道能量和氢键角度。结果表明,同等阴极电位和阴极水力停留时间下3种物质的降解程度不同,但降解顺序呈现出统一的趋势,即ONP最容易发生降解,PNP最难。得电子能力最强的是ONP,最弱的是PNP。PNP的最高已占轨道能量最低,能极差最大,说明PNP所受束缚最大,轨道最难发生变化;而ONP的能级差最小。这都说明了硝基酚的降解顺序为ONP>MNP>PNP。

有机污染物作为生物电化学系统电子供体研究进展

有机废水成分复杂,处理成本高,是污水处理研究领域的难题。不同于常规废水生化处理法,以有机污染物作为电子供体为特征的生物电化学系统能够有效降解有机污染物,同时回收有机污染物化学键中的化学能,实现废水能源化处理。综述了有机污染物作为生物电化学系统电子供体的研究进展,电子供体包括常规有机污染物、有毒有机污染物和新型污染物,并对其不足与发展前景进行了分析。

连续搅拌微生物电化学系统处理高浓度模拟废水的效能

微生物电化学系统在面向实际废水处理时,表现出产电性能下降、出水水质差等缺点.为了提高其处理中高浓度、含发酵类底物废水的性能,将连续搅拌釜式反应器与之耦合,构建一体式连续搅拌微生物电化学系统(CSMER).确定系统的最佳运行条件:以连续流方式运行,在水力停留时间为12 h,进水COD浓度为6 000 mg·L^(-1)时,系统内4个电池的最大功率密度分别达(583±9),(562±7),(533±10)和(572±6)mW·m^(-2),COD去除率为(87.1±1.1)%,甲烷产率为(1.48±0.15)L·L^(-1)·d^(-1).与对照的连续搅拌釜式反应器相比,其COD去除率及甲烷产率分别提高了61.6%及244.2%.焦磷酸测序结果表明,CSMER底端的全混流搅拌区(CMZ)以Clostridium(10.0%)、Acidaminococcus(11.7%)及Lactococcus(10.8%)等水解发酵菌群为优势细菌菌属;顶端的微生物电化学区(MEZ)以产电菌Geobacter(14.5%)占优势.CSMER中相对复杂的细菌群落结构使其同时含有丰度较高的嗜乙酸产甲烷菌科(52.2%)和嗜氢产甲烷菌科(47.1%),而底端CMZ的厌氧消化过程与顶端MEZ的产电过程之间的协同作用是实现该系统性能优于对照反应器的主要原因.

生物电化学系统对污水中营养物质的去除与回收

生物电化学系统(Bioelectrochemical System,BES)是一种新型污水处理技术,它以微生物作为催化剂,在处理污水的同时产生电能。通过硝化和生物电化学脱氮过程,在BES中去除和/或回收氮和磷。本文回顾了BES中营养物去除和回收的相关研究,讨论了BES在去除/回收氮和磷方面的影响因素和挑战,以期为BES中营养物去除和回收的进一步优化和发展提供参考。

生物电化学系统处理难降解有机污染物研究进展

难降解有机污染物广泛存在于水、土壤及大气等环境介质中,严重危害生态环境。生物电化学系统是一种高效处理难降解有机污染物的生物处理技术,通过电化学对微生物的刺激,增强微生物降解污染物的能力,提高污染物降解效率。介绍了生物电化学系统的工作原理,综述了生物电化学系统在处理多环芳烃类化合物、有机染料类化合物、卤代烃类化合物和其他难降解有机化合物的研究应用情况以及生物电化学系统耦合其他降解技术处理难降解有机化合物等方面的研究进展。生物电化学系统是目前去除难降解有机污染物较有前途的方法,分析了生物电化学系统处理难降解有机污染物存在的问题,提出未来可从能代谢难降解有机污染物的电极及电化学活性微生物的筛选、电子转移机制的理论分析2个方面进行深入的研究。

生物电化学系统中电活性生物膜催化污染物降解的研究进展

近年来,以电活性生物膜为基础构建而成的生物电化学系统成为环境领域的研究热点之一,其功能主要包括废水的处理和能源回收等。本文根据电活性生物膜在阳极与阴极功能的不同,介绍了阳极电活性生物膜以直接或间接方式为主的电子传递机制,其具备从多种污染物中回收电子的能力;阴极电活性生物膜具备高度的多样性和特异性,可以催化难降解污染物的还原降解。与此同时,本文也分析了电活性生物膜在现阶段研究的不足之处,包括较低的阳极产电功率密度以及阴极还未清晰的电子传递机制等问题。本文的分析表明,根据实际废水成分的不同,需要控制电活性生物膜群落的结构,实现不同功能微生物在电活性生物膜的协作,并通过对实际废水进行预处理,或者对电极材料进行优化来辅助电活性生物膜的催化过程,有助于达到高效去除废水中污染物的目的。

一种含铜固体电极在新型无膜生物电化学系统中的应用研究

采用壳聚糖修饰电极吸附溶液中Cu(Ⅱ)制得含铜固体电极,将其用做新型无膜生物电化学系统(MACMCB)阴极。研究固体电极Cu(Ⅱ)质量和外阻对MACMCB电压的影响。结果表明,系统电压与含铜固体电极Cu(Ⅱ)质量及系统外阻正相关,最大输出电压达0.6346 V。该系统Cu(Ⅱ)还原效率高于92.75%,表明Cu(Ⅱ)做电子受体得电子能力强,Cu(Ⅱ)几乎被全部还原。MACMCB与微生物燃料电池(MFC)的效率对比结果表明,在一定时间内,MACMCB在底物降解效率和产能输出方面明显优于MFC,推荐含铜固体电极更换时间为10~30小时。含铜固体电极中Cu(Ⅱ)主要以Cu SO4分子形式存在,放电后Cu(Ⅱ)的主要还原产物为单质Cu,含少量Cu2O,另外掺杂部分Cu元素的磷化物和氯化物沉淀。

用于生物电化学系统的石墨烯电极新进展

可持续社会的发展需要成本低,并从废物或废水中提取能源或将能源转化为产品的环境友好技术.近年兴起的生物电化学系统(BESs)利用微生物催化不同电化学反应,是将废物或废水中能量转化为电能等多种产品的发展前景广阔的新技术.当有关反应的吉布斯自由能小于零,系统输出电能,此时的BESs即为微生物燃料电池(MFCs);相反,若反应的吉布斯自由能为正值,此时的BESs被称为微生物电解电池(MECs).随着研究工作的不断深入和拓展,BESs的电极性能已成为制约其应用的瓶颈.石墨烯以其独特的结构和优异的材料性能在BESs领域,特别是MFCs中得以应用.本文参考了最新的文献资料,综述了石墨烯应用于BESs的发展现状,包括应用于MFCs的石墨烯电极、掺杂石墨烯电极、担载石墨烯电极,对其在MECs中可能的应用,以及未来发展趋势予以展望.