CN112456634B - 光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用 - Google Patents
光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN112456634B CN112456634B CN202011103887.9A CN202011103887A CN112456634B CN 112456634 B CN112456634 B CN 112456634B CN 202011103887 A CN202011103887 A CN 202011103887A CN 112456634 B CN112456634 B CN 112456634B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cathode
- system device
- bioelectrochemical
- cellulose
- carbon
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000746 purification Methods 0.000 title claims abstract description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 67
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 65
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 65
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 54
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000004966 Carbon aerogel Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000000975 co-precipitation Methods 0.000 claims abstract description 8
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 41
- BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N pyrene Chemical compound C1=CC=C2C=CC3=CC=CC4=CC=C1C2=C43 BBEAQIROQSPTKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 31
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 claims description 29
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 26
- GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N fluoranthrene Natural products C1=CC(C2=CC=CC=C22)=C3C2=CC=CC3=C1 GVEPBJHOBDJJJI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- YTBRNEUEFCNVHC-UHFFFAOYSA-N 4,4'-dichlorobiphenyl Chemical group C1=CC(Cl)=CC=C1C1=CC=C(Cl)C=C1 YTBRNEUEFCNVHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 18
- VEORPZCZECFIRK-UHFFFAOYSA-N 3,3',5,5'-tetrabromobisphenol A Chemical compound C=1C(Br)=C(O)C(Br)=CC=1C(C)(C)C1=CC(Br)=C(O)C(Br)=C1 VEORPZCZECFIRK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 15
- 239000004964 aerogel Substances 0.000 claims description 12
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 claims description 12
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 12
- 230000001699 photocatalysis Effects 0.000 claims description 11
- 229920001046 Nanocellulose Polymers 0.000 claims description 10
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 claims description 9
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims description 8
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 8
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 8
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 6
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 6
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 claims description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 6
- UKLNMMHNWFDKNT-UHFFFAOYSA-M sodium chlorite Chemical compound [Na+].[O-]Cl=O UKLNMMHNWFDKNT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- 229960002218 sodium chlorite Drugs 0.000 claims description 6
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 6
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 claims description 5
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 claims description 5
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 claims description 5
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 claims description 5
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 claims description 5
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 claims description 5
- 229910002551 Fe-Mn Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 claims description 3
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 claims description 3
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 claims description 3
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 claims description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims 7
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 abstract description 9
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 abstract description 8
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 abstract description 7
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 5
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 abstract description 2
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 22
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 16
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 12
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 10
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 7
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 7
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 6
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 2
- 239000012716 precipitator Substances 0.000 description 2
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 2
- DEIGXXQKDWULML-UHFFFAOYSA-N 1,2,5,6,9,10-hexabromocyclododecane Chemical compound BrC1CCC(Br)C(Br)CCC(Br)C(Br)CCC1Br DEIGXXQKDWULML-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012028 Fenton's reagent Substances 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000010170 biological method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003063 flame retardant Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 231100000086 high toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- SNGREZUHAYWORS-UHFFFAOYSA-N perfluorooctanoic acid Chemical compound OC(=O)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)C(F)(F)F SNGREZUHAYWORS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007146 photocatalysis Methods 0.000 description 1
- 125000005575 polycyclic aromatic hydrocarbon group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/005—Combined electrochemical biological processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
- C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
- C02F3/34—Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/30—Treatment of water, waste water, or sewage by irradiation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
- C02F1/46109—Electrodes
- C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
- C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
- C02F2001/46142—Catalytic coating
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
- C02F2101/32—Hydrocarbons, e.g. oil
- C02F2101/327—Polyaromatic Hydrocarbons [PAH's]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
- C02F2101/36—Organic compounds containing halogen
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
- Y02W10/37—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies using solar energy
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用，包括由光催化***装置和生物电化学处理单元组成，所述光催化***装置包括太阳光伏电池，所述生物电化学处理单元包括至少一组由生物阳极、复合阴极和附加阴极组成的电路，其中复合阴极和附加阴极并联，所述生物阳极为碳材料，复合阴极以碳材料为基材，原位合成纤维素炭气凝胶改性，经共沉淀负载铁基氧化物，附加阴极上负载石墨烯、铁氧化物或二硫化钼为催化剂。本发明将水体中痕量有机微污染物快速吸附于复合阴极，在附加阴极与外光源***的协同作用下同步实现催化氧化分解为小分子，然后经生物阳极深度降解为二氧化碳和水，实现水体微污染高效净化。
Description
技术领域
本发明涉及痕量污染物处理领域，具体涉及一种光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用。
背景技术
痕量有机污染物是指通过各种环境介质（大气、水、生物体等）能够长距离迁移并长期存在于环境，具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性，对人类健康和生态环境具有严重危害，如多环芳烃、全氟类化合物、溴代阻燃剂等。这些物质在各种工业生产和日常生活中广泛使用，会通过污水排放、产品废弃等途径进入环境中。
目前对环境中痕量有机污染物的去除方法主要包括物理法、化学法和生物法。物理法主要通过吸附作用实现污染物的去除，该方法不能实现痕量有机污染物的彻底降解。化学法包括光催化氧化、直接化学氧化等技术。生物法则是利用微生物的生长代谢作用实现有机污染物的降解，但存在降解效率低等问题。因此，每种方法都有各自的优缺点，如何将不同方法有机结合，实现痕量有机污染物的快速、高效、彻底的降解成为了研究重点。
发明内容
解决的技术问题：针对以上存在的问题，本发明提供了一种光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用，将吸附浓缩、产过氧化氢、光/芬顿化学氧化以及生物降解耦合于一体，为有效解决环境中痕量有机污染物难以降解问题提供一条新途径。
技术方案：光/生物电化学集成模块水体净化***装置，由光催化***装置和生物电化学处理单元组成，所述光催化***装置包括太阳光伏电池，所述生物电化学处理单元包括至少一组由生物阳极、复合阴极和附加阴极组成的电路，其中复合阴极和附加阴极并联，所述生物阳极为碳材料，复合阴极以碳材料为基材，原位合成纤维素炭气凝胶改性，经共沉淀负载铁基氧化物，附加阴极上负载石墨烯、铁氧化物或二硫化钼为催化剂。
上述光催化***装置中所需光源包括太阳光、紫外光或人工可见光。
上述太阳光伏电池外加低电压范围为0.2 V-0.8 V。
上述生物电化学处理单元中的生物阳极、复合阴极与附加阴极电极的碳材料包括石墨棒、碳毡或碳刷。
上述复合阴极的制备步骤为：（1）将木材或竹材原料分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在60-90 ℃下搅拌2-4 h后过滤；将过滤后的样品加入到pH为4-5浓度为1mol/L的亚氯酸钠溶液中，在60-90 ℃下搅拌2-4 h后，用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将碳材料置于微/纳米纤维素悬浮液中，其中碳材料与微/纳米纤维素悬浮液的质量比为1:（1-10）；（3）将上步制得的含有碳材料的纤维素悬浮液静置于40-80 ℃下2-10 h，得到含有碳材料的纤维素水凝胶；（4）通过冷冻干燥将含有碳材料的纤维素水凝胶在-40至-80 ℃下干燥24-36 h形成纤维素气凝胶；（5）将含有碳材料的纤维素气凝胶在惰性气体保护下，700-1000 ℃碳化2 h，最终在碳材料上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；（6）利用共沉淀法或浸渍法在阴极电极材料1上原位合成铁基氧化物，最终制得复合阴极。
上述铁基氧化物为Fe3O4或Fe-Mn二元氧化物。
上述附加阴极的制备方法为涂布法、浸渍法或原位合成法。
上述复合阴极与附加阴极之间的间距为0.5-2 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为2-10 cm。
上述光/生物电化学集成模块水体净化***装置在水体中痕量有机污染物处理中的应用。
上述痕量有机污染物为苯环结构的有机污染物，所述苯环结构的有机污染物为芘、二氯联苯或四溴双酚A。
有益效果：本发明附加阴极用于产过氧化氢；在复合电极上原位合成的纤维素炭气凝胶以及铁基氧化物，其中纤维素炭气凝胶催化剂能够吸附浓缩水体中污染物，铁基氧化物能够与过氧化氢发生芬顿反应；外光源***不仅能够激活过氧化氢，同时能调节芬顿体系不受限于环境pH变化；生物阳极实现经复合阴极催化氧化后的小分子污染物的彻底降解。本发明将水体中痕量有机微污染物快速吸附于复合阴极，在附加阴极与外光源***的协同作用下同步实现催化氧化分解为小分子，然后经生物阳极深度降解为二氧化碳和水，实现水体微污染高效净化。本发明将化学氧化、生物降解、物理吸附、低电刺激和光催化作用有机结合于一体，在不同技术的协同增效作用下，解决了单一技术存在的降解效率低、二次污染等问题，实现了水体痕量污染物的彻底、高效降解。
附图说明
图1为本发明光/生物电化学集成模块水体净化***的结构示意图。图中：1、太阳能光伏电池；2、外电路；3、3’外电阻；4、4’生物阳极；5、5’附加阴极；6、6’复合阴极；7、光源；
图2为本发明光/生物电化学集成模块水体净化***中复合阴极结构示意图；
图3为本发明实施例1至实施例4与对照实验1至对照实验4中对污染物的处理性能图；
图4数据为单一技术对照实验1至单一技术对照实验4。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
实施例1
一种光/生物电化学集成模块水体净化***装置，由光催化***装置和生物电化学处理单元组成，所述光催化***装置包括太阳光伏电池1，所述生物电化学处理单元包括两组由生物阳极4、复合阴极6和附加阴极5组成的电路，其中复合阴极6和附加阴极5并联，所述生物阳极为碳材料，复合阴极以碳材料为基材，原位合成纤维素炭气凝胶改性，经共沉淀负载铁基氧化物，附加阴极上负载石墨烯、铁氧化物或二硫化钼为催化剂。
本实施例中光源为太阳光，外加电压为0.2 V，生物电化学***中阳极电极为石墨棒，阴极电极为石墨棒基复合阴极。将生物阳极、复合阴极、附加阴极通过外电路连接，利用太阳能光伏电池调节外加电压为0.2 V，向反应***中分别加入0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A作为处理对象，在太阳光作用下，利用生物阳极、复合阴极、附加阴极的协同耦合作用，反应36 h后，取样分析。
阴极电极制备方法如下：
（1）将木材分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在60 ℃下搅拌4 h后过滤，将过滤后样品加入到pH为4的亚氯酸钠溶液中，在60 ℃下搅拌4 h后用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；
（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将石墨棒置于纤维素悬浮液中，其中石墨棒与纤维素悬浮液的质量比为1:1；
（3）将含有石墨棒的纤维素悬浮液静置于40 ℃下10 h，得到含有石墨棒的纤维素水凝胶；
（4）通过-40 ℃下冷冻干燥36 h将含有石墨棒的纤维素水凝胶干燥形成纤维素气凝胶；
（5）将含有石墨棒纤维素气凝胶在N2保护下700 ℃碳化2 h，在石墨棒上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；
（6）利用共沉淀法按照Fe2+：Fe3+摩尔比为1:2、体积比为2:1形成混合溶液1，向混合溶液1中加入沉淀剂NH3·H2O形成混合溶液2，沉淀剂与混合溶液1体积比为1.5:1，将阴极电极材料1加入混合溶液2中，并将混合溶液2在60 ℃恒温水浴30 min，反应完成后将形成的Fe3O4分离并用蒸馏水洗至中性，60 ℃真空干燥2 h得到负载有Fe3O4的复合阴极；
（7）利用涂布法将石墨烯通过100 Hz超声形成石墨烯悬浮液，并均匀涂布于石墨棒上，并在80 ℃下烘干，制备成附加阴极。
复合阴极与附加阴极之间的间距为0.5 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为2cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
对照实验1
以实施例1中操作条件为基础：光源为太阳光，外加电压为0.2 V，生物电化学***中阳极电极为石墨棒，复合阴极与附加阴极为无催化剂负载的纯石墨棒。复合阴极与附加阴极之间的间距为0.5 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为2 cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
实施例2
本实施例中结构如实施例1，光源为紫外光，外加电压为0.4 V，生物电化学***中阳极电极为碳毡，阴极电极为碳毡基复合阴极。将生物阳极、复合阴极、附加阴极通过外电路连接，利用太阳能光伏电池调节外加电压为0.4 V，向反应***中分别加入0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A作为处理对象，在紫外光作用下，利用生物阳极、复合阴极、附加阴极的协同耦合作用，反应36 h后，取样分析。
阴极电极制备方法如下：
（1）将竹材分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在70 ℃下搅拌3 h后过滤，将过滤后样品加入到pH为4.5的亚氯酸钠溶液中，在70 ℃下搅拌3 h后用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；
（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将碳毡置于纤维素悬浮液中，其中碳毡与纤维素悬浮液的质量比为1:3；
（3）将含有碳毡的纤维素悬浮液静置于60 ℃下7 h，得到含有碳毡的纤维素水凝胶；
（4）通过-60 ℃下冷冻干燥30 h将含有碳毡的纤维素水凝胶干燥形成纤维素气凝胶；
（5）将含有碳毡纤维素气凝胶在N2保护下800 ℃碳化2 h，在碳毡上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；
（6）利用共沉淀法按照Fe2+：Fe3+摩尔比为1:2、体积比为2:1形成混合溶液1，向混合溶液1中加入沉淀剂NH3·H2O形成混合溶液2，沉淀剂与混合溶液1体积比为1.5:1，将阴极电极材料1加入混合溶液2中，并将混合溶液2在60 ℃恒温水浴30 min，反应完成后将形成的Fe3O4分离并用蒸馏水洗至中性，60 ℃真空干燥2 h得到负载有Fe3O4的复合阴极。
（7）同步骤（6），利用原位合成法在碳毡上原位合成Fe3O4制备成附加阴极。
复合阴极与附加阴极之间的间距为1.0 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为5cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
对照实验2
以实施例2中操作条件为基础：光源为紫外光，外加电压为0.4 V，生物电化学***中阳极电极为碳毡，复合阴极与附加阴极为无催化剂负载的纯碳毡。复合阴极与附加阴极之间的间距为1.0 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为5 cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
实施例3
本实施例中结构如实施例1，光源为人工可见光，外加电压为0.6 V，生物电化学***中阳极电极为碳刷，阴极电极为碳刷基复合阴极。将生物阳极、复合阴极、附加阴极通过外电路连接，利用太阳能光伏电池调节外加电压为0.6 V，向反应***中分别加入0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A作为处理对象，在人工可见光作用下，利用生物阳极、复合阴极、附加阴极的协同耦合作用，反应36 h后，取样分析。
阴极电极制备方法如下：
（1）将竹材分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在80 ℃下搅拌2 h后过滤，将过滤后样品加入到pH为5的亚氯酸钠溶液中，在80 ℃下搅拌2 h后用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；
（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将碳刷置于纤维素悬浮液中，其中碳刷与纤维素悬浮液的质量比为1:7；
（3）将含有碳刷的纤维素悬浮液静置于70 ℃下5 h，得到含有碳刷的纤维素水凝胶；
（4）通过-70 ℃下冷冻干燥27 h将含有碳刷的纤维素水凝胶干燥形成纤维素气凝胶；
（5）将含有碳刷纤维素气凝胶在Ar保护下900 ℃碳化2 h，在碳刷上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；
（6）利用浸渍法按照Mn2+：Fe3+摩尔比为1:2、体积比为2:1形成混合溶液1，将碳刷浸渍于混合溶液1中，经80 ℃恒温水浴搅拌2 h、105 ℃下干燥24 h后，将混合物在氮气保护条件下500 ℃煅烧2 h得到负载有Fe-Mn二元氧化物复合阴极；
（7）将二硫化钼通过100 Hz超声形成二硫化钼悬浮液，并通过浸渍法将二硫化钼负载于碳刷上，并在80 ℃下烘干，制备成附加阴极。
复合阴极与附加阴极之间的间距为1.5 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为7cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
对照实验3
以实施例3中操作条件为基础：光源为人工可见光，外加电压为0.6 V，生物电化学***中阳极电极为碳刷，复合阴极与附加阴极为无催化剂负载的纯碳刷。复合阴极与附加阴极之间的间距为1.5 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为7 cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
实施例4
本实施例中结构如实施例1，光源为太阳光，外加电压为0.8 V，生物电化学***中阳极电极为碳刷，阴极电极为石墨棒基复合阴极。将生物阳极、复合阴极、附加阴极通过外电路连接，利用太阳能光伏电池调节外加电压为0.4 V，向反应***中分别加入0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A作为处理对象，在太阳光作用下，利用生物阳极、复合阴极、附加阴极的协同耦合作用，反应36 h后，取样分析。
阴极电极制备方法如下：
（1）将竹材分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在90 ℃下搅拌2 h后过滤，将过滤后样品加入到pH为4的亚氯酸钠溶液中，在90 ℃下搅拌2 h后用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；
（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将石墨棒置于纤维素悬浮液中，其中石墨棒与纤维素悬浮液的质量比为1:10；
（3）将含有石墨棒的纤维素悬浮液静置于80 ℃下2 h，得到含有石墨棒的纤维素水凝胶；
（4）通过-80 ℃下冷冻干燥24 h将含有石墨棒的纤维素水凝胶干燥形成纤维素气凝胶；
（5）将含有石墨棒纤维素气凝胶在Ar保护下1000 ℃碳化2 h，在石墨棒上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；
（6）利用浸渍法按照Mn2+：Fe3+摩尔比为1:2、体积比为2:1形成混合溶液1，将碳刷浸渍于混合溶液1中，经80 ℃恒温水浴搅拌2 h、105 ℃下干燥24 h后，将混合物在氮气保护条件下500 ℃煅烧2 h得到负载有Fe-Mn二元氧化物复合阴极；
（7）利用涂布法将石墨烯通过100 Hz超声形成石墨烯悬浮液，并均匀涂布于石墨棒上，并在80 ℃下烘干，制备成附加阴极。
复合阴极与附加阴极之间的间距为2.0 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为10cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、全氟辛酸、六溴环十二烷为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
对照实验4
以实施例4中操作条件为基础：光源为太阳光，外加电压为0.8 V，生物电化学***中阳极电极为碳刷，复合阴极与附加阴极为无催化剂负载的纯石墨棒。复合阴极与附加阴极之间的间距为2.0 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为10 cm，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
单一技术对照实验1
以4个实施例中相同质量Fe3O4、Fe-Mn二元氧化物和H2O2为芬顿试剂，进行化学氧化反应，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
单一技术对照实验2
以4个实施例中相同质量的纤维素炭气凝胶为吸附材料，进行物理吸附反应，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
单一技术对照实验3
以紫外光为光源，以4个实施例中相同质量H2O2为氧化剂，进行光催化氧化反应，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
单一技术对照实验4
以碳刷为阳极、阴极、附加阴极，构建相同于4个实施例的生物电化学***，其中阳极为生物阳极，阴极和附加阴极上无催化剂，进行生物电化学反应，分别以0.2 mg/L的典型痕量有机污染物芘、二氯联苯、四溴双酚A为处理对象。反应36 h后取样分析检测。
不同条件下痕量有机污染物处理***对典型痕量有机污染物芘的降解性能如图3。图3中数据为实施例1至实施例4和对照实验1至对照实验4。图4中数据为单一技术对照实验1至单一技术对照实验4。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在获知本发明中记载内容后，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对其作出若干同等变换和替代，这些同等变换和替代也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：由光催化***装置和生物电化学处理单元组成，所述光催化***装置包括太阳光伏电池（1），所述生物电化学处理单元包括至少一组由生物阳极（4）、复合阴极（6）和附加阴极（5）组成的电路，其中复合阴极（6）和附加阴极（5）并联，所述生物阳极为碳材料，复合阴极以碳材料为基材，原位合成纤维素炭气凝胶改性，经共沉淀负载铁基氧化物，附加阴极上负载石墨烯、铁氧化物或二硫化钼为催化剂。
2.根据权利要求1所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述光催化***装置中所需光源包括太阳光、紫外光或人工可见光。
3.根据权利要求1所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述太阳光伏电池外加低电压范围为0.2 V-0.8 V。
4.根据权利要求1所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述生物电化学处理单元中的生物阳极、复合阴极与附加阴极电极的材料包括石墨棒、碳毡或碳刷。
5.根据权利要求1所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述复合阴极的制备步骤为：（1）将木材或竹材原料分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在60-90 ℃下搅拌2-4 h后过滤；将过滤后的样品加入到pH为4-5浓度为1 mol/L的亚氯酸钠溶液中，在60-90 ℃下搅拌2-4 h后，用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将碳材料置于微/纳米纤维素悬浮液中，其中碳材料与微/纳米纤维素悬浮液的质量比为1:（1-10）；（3）将上步制得的含有碳材料的纤维素悬浮液静置于40-80 ℃下2-10 h，得到含有碳材料的纤维素水凝胶；（4）通过冷冻干燥将含有碳材料的纤维素水凝胶在-40至-80 ℃下干燥24-36 h形成纤维素气凝胶；（5）将含有碳材料的纤维素气凝胶在惰性气体保护下，700-1000 ℃碳化2 h，最终在碳材料上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；（6）利用共沉淀法或浸渍法在阴极电极材料1上原位合成铁基氧化物，最终制得复合阴极。
6.根据权利要求5所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述铁基氧化物为Fe3O4或Fe-Mn二元氧化物。
7.根据权利要求1所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述附加阴极的制备方法为涂布法、浸渍法或原位合成法。
8.根据权利要求1所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置，其特征在于：所述复合阴极与附加阴极之间的间距为0.5-2 cm，生物阳极与附加阴极之间的间距为2-10 cm。
9.权利要求1-8任一所述光/生物电化学集成模块水体净化***装置在水体中痕量有机污染物处理中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于所述痕量有机污染物为苯环结构的有机污染物，所述苯环结构的有机污染物为芘、二氯联苯或四溴双酚A。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011103887.9A CN112456634B (zh) | 2020-10-15 | 2020-10-15 | 光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011103887.9A CN112456634B (zh) | 2020-10-15 | 2020-10-15 | 光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN112456634A CN112456634A (zh) | 2021-03-09 |
| CN112456634B true CN112456634B (zh) | 2022-12-27 |
Family
ID=74833159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202011103887.9A Active CN112456634B (zh) | 2020-10-15 | 2020-10-15 | 光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN112456634B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114105290B (zh) * | 2021-11-24 | 2023-11-17 | 江苏泰源环保科技股份有限公司 | 一种改性蓝藻生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法及其应用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102092820A (zh) * | 2011-01-04 | 2011-06-15 | 华中师范大学 | 一种双池双效可见光响应光电芬顿去除水中有机物的方法及装置 |
| CN107240508A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-10-10 | 东华大学 | 一种石墨烯/铁氧体纳米复合电极材料的制备方法 |
| CN109607696A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-12 | 北京工业大学 | 一种应用于电芬顿体系的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备方法 |
| CN111003757A (zh) * | 2019-11-14 | 2020-04-14 | 中海油天津化工研究设计院有限公司 | 一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极及其制备方法 |
| CN111547901A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-18 | 中南大学 | 原位生成双氧水和高铁酸盐耦合水处理深度净化装置及处理方法 |
| CN111689571A (zh) * | 2019-03-11 | 2020-09-22 | 北京化工大学 | 控制过氧化氢生成和消除的微生物电化学***及方法 |
-
2020
- 2020-10-15 CN CN202011103887.9A patent/CN112456634B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102092820A (zh) * | 2011-01-04 | 2011-06-15 | 华中师范大学 | 一种双池双效可见光响应光电芬顿去除水中有机物的方法及装置 |
| CN107240508A (zh) * | 2017-03-29 | 2017-10-10 | 东华大学 | 一种石墨烯/铁氧体纳米复合电极材料的制备方法 |
| CN109607696A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-12 | 北京工业大学 | 一种应用于电芬顿体系的天然磁铁矿/炭黑/石墨毡复合阴极的制备方法 |
| CN111689571A (zh) * | 2019-03-11 | 2020-09-22 | 北京化工大学 | 控制过氧化氢生成和消除的微生物电化学***及方法 |
| CN111003757A (zh) * | 2019-11-14 | 2020-04-14 | 中海油天津化工研究设计院有限公司 | 一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极及其制备方法 |
| CN111547901A (zh) * | 2020-05-07 | 2020-08-18 | 中南大学 | 原位生成双氧水和高铁酸盐耦合水处理深度净化装置及处理方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN112456634A (zh) | 2021-03-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yaqoob et al. | Modified graphene oxide anode: a bioinspired waste material for bioremediation of Pb2+ with energy generation through microbial fuel cells | |
| Liang et al. | Carbon nanomaterial-modified graphite felt as an anode enhanced the power production and polycyclic aromatic hydrocarbon removal in sediment microbial fuel cells | |
| Shao et al. | Nitrogen-doped hollow mesoporous carbon spheres modified g-C3N4/Bi2O3 direct dual semiconductor photocatalytic system with enhanced antibiotics degradation under visible light | |
| Mohamed et al. | Fe/Fe2O3 nanoparticles as anode catalyst for exclusive power generation and degradation of organic compounds using microbial fuel cell | |
| Hou et al. | Solar promoted azo dye degradation and energy production in the bio-photoelectrochemical system with a g-C3N4/BiOBr heterojunction photocathode | |
| An et al. | Revealing decay mechanisms of H2O2-based electrochemical advanced oxidation processes after long-term operation for phenol degradation | |
| Hou et al. | Nitrofurazone degradation in the self-biased bio-photoelectrochemical system: g-C3N4/CdS photocathode characterization, degradation performance, mechanism and pathways | |
| Wang et al. | A bio-electro-Fenton system with a facile anti-biofouling air cathode for efficient degradation of landfill leachate | |
| Khan et al. | Investigation of CNT/PPy-modified carbon paper electrodes under anaerobic and aerobic conditions for phenol bioremediation in microbial fuel cells | |
| Wang et al. | Bio-Electron-Fenton (BEF) process driven by sediment microbial fuel cells (SMFCs) for antibiotics desorption and degradation | |
| Ayyappan et al. | Effect of biochar on bio-electrochemical dye degradation and energy production | |
| Liang et al. | A high-performance photo-microbial desalination cell | |
| KR101825783B1 (ko) | 광촉매반응공정과 통합된 오염원 처리방법 | |
| Dong et al. | Triboelectric nanogenerator enhanced radical generation in a photoelectric catalysis system via pulsed direct-current | |
| Zhou et al. | Autochthonous N-doped carbon nanotube/activated carbon composites derived from industrial paper sludge for chromate (VI) reduction in microbial fuel cells | |
| Wang et al. | Mechanism for enhancing biodegradability of antibiotic pharmacy wastewater by in-situ generation of H2O2 and radicals over MnOx/nano-G/2-EAQ/AC cathode | |
| Fu et al. | Modification of carbon felt anode with graphene/Fe 2 O 3 composite for enhancing the performance of microbial fuel cell | |
| Ghalkhani et al. | Synthesis and application of a powerful heterogeneous photo-Fenton catalyst based on rGO/g-C3N4/Fe3O4/tiO2 nano-composite for the removal of sewage contaminants | |
| CN111825168B (zh) | 一种铜修饰碳纤维电极及其制备方法与应用 | |
| Zhang et al. | Cotton-derived 3D carbon fiber aerogel to in situ support Bi2O3 nanoparticles as a separation-free photocatalyst for antibiotic removal | |
| Yahia et al. | A new hybrid process for Amoxicillin elimination by combination of adsorption and photocatalysis on (CuO/AC) under solar irradiation | |
| Xing et al. | Application of energy sustainable utilization strategy for highly efficient electro-Fenton treatment of antibiotics | |
| CN112456634B (zh) | 光/生物电化学集成模块水体净化***装置及其应用 | |
| Dai et al. | A vertically configured photocatalytic-microbial fuel cell for electricity generation and gaseous toluene degradation | |
| Sun et al. | Titanium oxide electrocatalytic membrane filtration:“two faces” of oxygen vacancies in generation and transformation of reactive oxygen species |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |