- A+
专栏寄语:水是与人类活动关系最为密切的环境要素,水环境前沿科学研究也始终处于高度活跃的状态。科学研究没有终点,而发表、出版是研究社区、学术生态不可或缺的重要一环。作为水行业专业期刊,我们始终致力于期刊特色发展,希望为塑造生机勃勃的学术生态环境做出应有的贡献。《中国给水排水》杂志与中信环境技术联合推出“Top Water Research” 微信专栏,旨在传递国内外水环境研究TOP文献情报, 进一步推动学术交流合作。欢迎国内外的优秀研究团队踊跃参与,分享你们的前沿研究成果。本专栏将持续播出,敬请关注!
过氧化氢是一种高效氧化剂,通过电化学氧还原反应在阴极原位合成过氧化氢是极具前景的H2O2绿色合成技术。然而广泛使用的浸没式阴极氧供给的主要来源是外源曝气引入溶液中的溶解氧,由于氧供给需额外能量输入且溶解度低,该技术受限于高能耗和低产率的瓶颈。“气体扩散电极(gas diffusion electrode, GDE)”的出现极大改善了电催化合成过氧化氢过程中氧气供应不足的难题,但是GDE往往需要加压氧气/空气(约0.02 MPa)作为氧源,气体加压装置使得系统复杂性大大增加。天津大学李楠副教授课题组创新性地提出了“自呼吸”空气氧补给方式,设计三明治结构的空气扩散电极,课题组围绕着“自呼吸空气阴极”过氧化氢原位合成开展了一系列工作,揭示电催化定向实现二电子氧还原合成过氧化氢的电极三相界面催化机制。“自呼吸”空气阴极过氧化氢合成的氧气来源是电极的“主动吸气”,由于减少了外源曝气带来的能耗,有效降低运行了电化学原位合成过氧化氢的成本。


多年来,主要研究工作总结如下:
(一)具有三明治结构的自呼吸空气阴极电催化氧还原电极开发及性能优化

1. Li, N., et al, Wang, X*. (2016) A novel carbon black graphite hybrid air-cathode for efficient hydrogen peroxide production in bioelectrochemical systems, Journal of Power Sources 306, 495-502.(2016年IF:6.4)
中文标题:一种可在电化学/生物电化学系统中高效催化生成H2O2的新型炭黑-石墨混合空气阴极
2.An, J.,Li, N.*, et al, Feng Y*. (2019) Highly efficient electro-generation of H2O2by adjusting liquid-gas-solid three phase interfaces of porous carbonaceous cathode during oxygen reduction reaction. Water Research 164, 114933.(2019年IF:9.2)
研究成果:电极初期出现性能逐步上升的趋势。经研究证明,运行初期疏水的催化层内部无电解液渗入,多数为气-固界面,因此多数活性位点未发挥作用而导致初期性能较差,而电催化反应有加速溶液向多孔电极内部扩散的趋势,促使越来越多活性位点处于水-气-固三相界面,从而发挥催化作用。通过对比空气自扩散阴极和空气曝气阴极,发现在恒电流条件下,空气曝气阴极析氢反应成为主反应,产H2O2的电流效率下降至10%以下。电极更倾向于使用来自空气自由扩散进入的氧气,而对曝气产生的溶氧利用极低。这证明水中溶氧的传质扩散限制了电极对氧的应用。在高电流密度下,自扩散阴极的电流效率也有所下降,经电化学实验证实,大电流下的副反应为H2O2进一步还原分解反应。通过承压定向气流的帮助,可将电极界面生成的大量H2O2推离反应界面,减少副反应从而提高电流效率。在35mA/cm2下H2O2产率可达到461 ± 11 mg/(Lˑh),电流效率达到(89 ± 2)%。
3. Zhao, Q., et al, Li, N.*(2019) Superhydrophobic Air-breathing Cathode for Efficient Hydrogen Peroxide Generation through Two-electron Pathway Oxygen Reduction Reaction. ACS Applied Materials & Interfaces 11 (38), 35410-35419.(2019年IF:8.7)
(二)过氧化氢原位合成在环境污染修复中的应用

4.An, J., Li, N.*, et al, Feng, Y*. (2019) A novel electro-coagulation-Fenton for energy efficient cyanobacteria and cyanotoxins removal without chemical addition. Journal of Hazardous Materials 365, 650-658. (2019年IF:9.1)
中文标题:一种用于去除藻华水体中藻细胞和藻毒素的新型电絮凝-电芬顿耦合系统
研究背景:水体富营养化是指大量的氮、磷等营养物质进入湖泊、河流、海洋等水体,造成水体中藻类和其他浮游生物迅速大量繁殖,形成藻华现象。近年来,水体富营养化成为非常突出的水环境问题。蓝藻水华严重破坏了水体生态系统的功能和结构,大量藻细胞的繁殖在影响水体的理化性质的同时向水体中释放藻毒素,对水生生物和人体都有毒害作用。而藻华水体同时具有悬浮污染物(藻细胞)和难降解有机污染物(藻毒素)的特性,使得单一水体处理手段很难将水体彻底净化。为此我们基于所开发的空气自扩散阴极搭建了一种可切换三电极系统,通过电路的切换分别实现电絮凝-电芬顿功能,意图实现对藻华水体中藻细胞和藻毒素的分别去除。
研究成果:在电絮凝过程中针对是否曝气、初始pH、反应时长等因素进行正交试验,发现在电絮凝过程中额外施加曝气可改变絮凝剂的成分和微观形貌、增加絮凝剂与藻细胞的接触,从而提升絮凝过程的除藻效果;同时发现初始pH决定着絮凝过程中网捕卷扫和电中和作用的强弱;运行时间的长短决定了絮凝剂的产量以及能耗和污泥量。通过优化,我们发现在100mA、初始pH8、运行时间40 min条件下可以实现较低能耗下对藻细胞的有效去除。而水体中剩余的藻毒素可经电芬顿高级氧化过程降解。通过对照组我们发现,电絮凝过程无法对水体中的藻毒素进行有效去除,而使用纯电芬顿过程对藻华水体中所有有机物进行无差别矿化时,相同处理效果下能耗为耦合工艺的11倍。因此电絮凝-电芬顿耦合工艺可实现高效低能耗处理藻华水体。
5. Zhao, Q.,et al, Li, N*. (2019) Heterotopic formaldehyde biodegradation through UV/H2O2 system with biosynthetic H2O2. Water Environment Research 91(7), 598-605. (2019年IF:1.1)
中文标题:基于微生物合成H2O2的UV/H2O2体系下的生物异位降解甲醛
研究背景:近年来,长租公寓频频曝出“甲醛门”,全国多地相继发生多起租客“甲醛维权”事件。2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中,将甲醛列入一类致癌物。中国政府规定卧室空气中CH2O的最大允许浓度为0.1mg/m3。CH2O是一种易溶于水的刺激性气体。因此,CH2O(g)可以富集在液体中,通过水处理实现CH2O的降解。生物降解被认为是一种环境友好、经济有效的CH2O去除技术。然而,CH2O的生物毒性抑制了微生物活性,从而降低了去除甲醛的性能。为此,我们提出了一种新型的生物电化学系统(BES)与UV/H2O2相结合的生物异位降解CH2O工艺。电化学活性菌(EAB)氧化有机碳源产生电子经外电路传递至阴极发生氧还原反应合成H2O2,用于UV/H2O2高级氧化体系的H2O2来源,而不是外源添加,从而实现CH2O的生物异位降解。
研究成果:利用BES和AOPs相结合的方法,开发了一种新型的生物异位降解CH2O方法。H2O2是在前置的BES阴极室中通过EAB的电子转移合成,并应用于随后的UV/H2O2(AOP)中进行高效的CH2O生物降解。研究发现,生物异位降解CH2O的效率和速率均高于生物原位降解,其去除率提高了69%~308%,降解时间缩短了98%。BES在最佳条件下运行30 min,得到初始H2O2浓度为102 mg/L;CH2O初始浓度为6、8、10、20 mg/L时,生物异位降解去除率分别为78%、73%、49%、30%。UV/H2O2体系温和地生成羟基自由基(·OH),这有利于CH2O的可持续降解和H2O2的高效利用。因此,生物异位降解CH2O的性能优于生物原位降解,包括较好的CH2O去除性能、较短的去除时间和有效地避止生物毒性。异位生物降解还为其他具有生物毒性的有机化合物的降解提供了可供参考的处理方法。
策划编辑:衣春敏
制作:文 凯
审核:李德强

目前评论:0