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。

植物-微生物电化学耦合降解底泥中氯硝柳胺的特性

以植物-底泥-微生物电化学系统中氯硝柳胺的降解为研究对象,研究了外加电压、植物(菖蒲(Acorus Calamus L.)和黑麦草(Lolium Perenne L.))以及生物表面活性剂(鼠李糖脂)对氯硝柳胺降解的影响。研究结果表明:外加适量的直流电压可以对底泥-微生物电化学系统中氯硝柳胺的降解产生一定的促进作用,1.2 V外加电压作用下的底泥-微生物电化学耦合系统中氯硝柳胺降解的半衰期比0.2 V减少了11.59%;植物对底泥中氯硝柳胺降解具有促进作用,1.2 V电压作用下的菖蒲和黑麦草微生物电化学耦合系统氯硝柳胺降解半衰期比无植物时分别减少7.43%和1.58%;外加适量的鼠李糖脂对于底泥中氯硝柳胺的降解具有促进作用,外加1.2 V电压,在且菖蒲-底泥-微生物电化学耦合系统中加入0.50 g·kg^(-1)鼠李糖脂,氯硝柳胺降解半衰期最小,比不加入鼠李糖脂减少26.45%。耦合系统中的氯硝柳胺通过生成2-氯-4-硝基苯胺、5-氯水杨酸等中间产物逐渐降解,最终生成CO_(2)、H_(2)O等。

微生物电化学修复中污染土壤生化特性变化

为探明土壤酶和pH在微生物电化学系统(MES)降解四环素过程中的作用,采集了黑土、潮土、黄棕壤和红壤4种类型土壤进行研究。结果表明:向黑土、潮土和红壤中添加10 mg/kg四环素后(TN处理)土壤pH较对照处理(CK,无抗生素添加)分别增加了0.08、0.15、1.09个单位,而经MES处理后(TC,四环素含量10 mg/kg)4种类型土壤中pH均呈降低趋势。尽管土壤脱氢酶、脲酶和多酚氧化酶活性在四环素污染土壤中展现出不同的变化规律,但其活性在MES中较TN处理分别增加了62.4%~72.1%、11.3%~80.9%(红壤除外)和12.6%~42.6%。与TN相比,四环素降解率在TC处理中分别增加了14%(黑土)、26%(潮土)、26%(黄棕壤)和17%(红壤)。相关性分析表明,脱氢酶活性与四环素降解率呈显著正相关,pH与降解率显著负相关,说明脱氢酶可能参与了降解四环素过程,且酸性条件可能更有利于降解。该试验从土壤生化特性角度揭示了MES对四环素的降解机理,可为土壤污染修复提供支撑。

微生物电化学自发性海水铀浓缩去除体系研究

针对传统核废水处理方法存在的能耗局限问题,我们利用生物电化学技术,围绕电化学活性功能菌海水铀自发性浓缩去除机制开展研究。建立了电子内循环的低能耗自发性微生物金属浓缩去除电化学体系(Microbial electrochemical system for spontaneous metal recovery)MES-SMR,改变以往反应器内阴阳极连接方式将两个反应器串联于一个闭合回路,利用阳极电化学活性微生物的产电功能推动反应器电子内循环,使硝酸铀酰在反应室2进行自发还原反应实现海水中铀浓缩去除。在成功构建反应器的基础上,对反应体系内影响铀还原的关键因素——电化学活性细菌的胞外电子传递过程进行调控优化,选择最适宜的阳极电势、电极表面修饰方法、功能菌群优化方式,提高体系的产电性能与阴极室还原率。实现对于海水铀的浓缩,为电化学海水除铀提供新的思路。

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。

电化学储能系统热管理技术研究现状与展望

本文对目前电化学储能系统热失控研究现状进行了分析,综述了空气冷却、液体冷却、相变冷却和热管冷却的冷却原理,以及防止电池发生热失控的措施,展望了热管理技术的发展方向。

电化学储能系统低容的分析与总结

磷酸铁锂电池是电化学储能系统中关键的零部件之一,其容量是储能系统产品的重要指标。在产品的开发测试过程中会出现系统低容的故障,为了提高产品开发的质量及问题闭环效率,本文章从电芯、硬件、工艺等方面总结分析了引起电化学储能系统低容的原因、改善措施及相应的失效分析流程,为后期快速解决类似问题和降低低容失效概率提供了新思路.

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 .

电化学储能系统标准对比分析

基于电化学储能技术和产业发展,介绍并分析了国外和国内电化学储能系统标准的现状。针对国内外电化学储能系统现有的标准体系,提出了标准制定的需求以及制定标准的路线图,并对我国电化学储能系统标准未来的方向和标准制定提出了建议。

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.

集成芯片毛细管电泳电化学检测系统

研制了一种新颖的集成芯片毛细管电泳电化学检测装置。此装置基于柱末安培检测法 ,将检测池集成在芯片上 ,以自制的 30 μm Pt微盘电极为工作电极 ,在几十秒钟内实现了多巴胺、5

基于LabV IEW的电化学测控系统的设计与应用

采用 L ab VIEW方便的图形化程序设计环境开发出了三电极体系中电化学测控系统(ECMS) ,可对极化反应过程进行适时控制 ,并实时采集极化电流与极化电压 ,得出极化曲线 .在兰州大学金属物理实验室 Ni Ox Hy 电致变色薄膜的电沉积制备及其特性研究中得到了很好的应用 .

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.

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。

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。

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。