虚拟专题||废水、固废电化学处理技术
文摘
科学
2024-12-26 11:00
浙江
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电化学技术不仅能够将污染物转化为新能源或有价值的化合物，而且还能够提高能源转换效率，减少环境污染。废水及固废的电化学技术的应用有助于实现资源的循环利用，减少对化石燃料的依赖，同时促进了绿色能源的发展和环境的可持续性。通过电化学过程，可以有效地处理废水和固废中的重金属和有机污染物，将其转化为无害或有价值的物质，这对于保护环境和推动能源转型具有重大意义。《能源环境保护》编辑部整理了2023年已发表的10篇关于废水、固废电化学处理技术的论文作为虚拟专题，以期为相关研究人员提供参考。扫描下方二维码获取“废水、固废电化学处理技术”虚拟专题全文：![]()
稿件列表：
Pd/Ti阳极电催化氧化处理焦化废水反渗透浓缩液的研究
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摘要：
针对焦化废水膜浓缩过程所产浓缩液中难降解有机物浓度高、处理难度大的问题，本研究采用简便的喷涂法制备了Pd负载多孔钛的阳极，并构建了以Pd/Ti为阳极和钛网为阴极的电催化氧化装置，实现了焦化废水反渗透浓缩液中难降解有机物的高效稳定去除。在电流密度为5mA/cm2时，运行4h后，Pd/Ti阳极对反渗透浓缩液的COD去除率为86.3%,远高于掺硼金刚石（46.7%）和铱钽电极（34.0%）。气相色谱-质谱分析结果表明，以Pd/Ti为阳极的电催化体系可将反渗透浓缩液中的难降解有机物（如1-硝基-3,5-二甲基金刚烷）转化为结构简单的降解产物（如2-戊炔-1-醇）。在28h连续运行过程中，COD出水均低于50mg/L以下，满足《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB 16171—2012）中废水直接排放标准限值。以上结果表明，Pd/Ti阳极具有高效、低耗处理焦化废水反渗透浓缩液中难降解有机物的潜力。尹星, 郭雲, 任乐辉, 王雪野, 王志伟. Pd/Ti 阳极电催化氧化处理焦化废水反渗透浓缩液的研究[J]. 能源环境保护, 2023, 37(6): 12-22. DOI:10.20078/j.eep.20230508.YIN Xing, GUO Yun, REN Lehui, WANG Xueye, WANG Zhiwei. Electrocatalytic oxidation of Pd/Ti anode for the treatment of reverse osmosis concentrates from coking wastewater[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(6): 12-22. DOI:10.20078/j.eep.20230508.
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摘要：
近年来，各种新污染物因其潜在的毒性，对生态环境、生物体、人体健康造成了严重的威胁，已经被越来越多的研究者所关注。尽管传统的检测方法具有较高的灵敏度与准确性，但它们往往依赖于大型且昂贵的检测设备以及复杂的操作过程。因此，对新污染物进行快速、精确、便捷的检测是环境污染防控的一个重要环节。在众多检测方法中，光电化学(PEC)传感器因其较低的背景信号，良好的灵敏度以及易于小型化等优点成为了新污染物检测领域的研究热点之一。本文系统详细的综述了PEC传感器的检测机理及其在新污染物检测领域的应用研究。介绍了目前PEC传感器常用的检测策略、识别策略、以及光电活性材料的改性策略。讨论了PEC对多类新污染物检测的研究进展。最后，对PEC传感器在新污染物检测领域的发展给出了一些建议和展望，提出了一些潜在的问题与可能的改进方法，以促进PEC传感器在新污染物检测领域的进一步发展与应用。刘天豪, 欧阳细莲, 程星洋, 汤晶, 汤琳. 光电化学传感器在新污染物检测领域的应用[J]. 能源环境保护, 2023, 37(4):12-19. DOI:10.20078/j.eep.20230707.
LIU Tianhao, OUYANG Xilian, CHENG Xingyang, TANG Jing, TANG Lin. Applications of photoelectrochemical sensors for the detection of emerging contaminants[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(4): 12-19. DOI:10.20078/j.eep.20230707.
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摘要：
氢气具有热值高、绿色低碳、应用广泛等优点，是我国实现双碳目标的重要战略选择。目前仍需继续探索低成本、高效率、高纯度的新型制氢技术，碳辅助水电解制氢因其能够有效降低电解电耗而受到关注。对废液协同活性炭辅助水电解制氢的电解特性进行了实验研究，主要讨论了活性炭较现有关注更多的碳源煤的电解特性优势，废液协同电解较单一碳源电解的优势等问题。利用三电极系统通过控制碳源种类、废液种类、温度以及铁催化剂4个单因素变量进行对照电解实验，各组样品的电化学性能由线性电势扫描伏安法测定，并结合实验结果进行了电化学动力学分析。实验结果表明，活性炭作为辅助碳源，表现优于锡盟褐煤和山西平朔烟煤，具有更好的应用潜力。洗气水协同活性炭电解能够进一步提升单一活性炭辅助电解的电流密度。同时，实验也表明了温度是影响辅助电解的重要因素，需要综合实际情况进行选择。电化学动力学分析进一步表明洗气水协同活性炭辅助电解阳极反应更易进行，能改善电解水阳极反应动力学迟缓的问题。刘建忠，陈懿同，陈聪，周俊虎. 废液协同活性炭辅助水电解制氢的实验研究[J]. 能源环境保护, 2023, 37(2): 39-47.DOI:10.20078/j.eep.20230111.LIU Jianzhong, CHEN Yitong, CHEN Cong, ZHOU Junhu. Experimental study on hydrogen productionfrom wastewater and activated carbon assisted water electrolysis[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(2): 39-47.DOI:10.20078/j.eep.20230111.
电芬顿-膜蒸馏复合工艺同步脱盐及去除水中有机物研究
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摘要：
通过真空抽滤法制备了电催化疏水膜，并以电催化疏水膜为基础耦合了气扫式膜蒸馏和电芬顿技术，开发了可同步实现脱盐与有机物降解的新型电芬顿-膜蒸馏（EF-MD）复合工艺。研究考察了电催化疏水膜产过氧化氢性能及EF-MD工艺的影响因素。实验结果表明：在电流强度为160mA、Fe2+浓度为1.0mmol/L、原料液温度为60℃、硫酸盐浓度为0.05mol/L、pH为3、吹扫气体为O2且流量为2L/min的条件下，H2O2产量最高可达126mg/L；100h内0.5mmol/L草甘膦的降解率可达到99%以上，TOC去除率可达95%,膜通量稳定于2.37kg/(m2·h),盐截留率可保持在99.88%,原料液盐浓度从7.1g/L升高至38.9g/L。EF-MD复合工艺的成功构建表明，该新型工艺能在同一反应单元内同步实现草甘膦废水的深度处理与浓缩减量，为膜蒸馏运行过程中的膜污染及膜润湿问题提供了新的解决思路。朱斯超, 蒋若兰, 王军, 李魁岭, 方杜贤, 段禹同, 王建兵. 电芬顿-膜蒸馏复合工艺同步脱盐及去除水中有机物研究[J]. 能源环境保护, 2023, 37(4): 20-29. DOI:10.20078/j.eep.20230705.ZHU Sichao, JIANG Ruolan, WANG Jun, LI Kuiling, FANG Duxian, DUAN Yutong, WANG Jianbing. Study on simultaneous desalination and removal of organic matter from water by electro-Fenton membrane distillation composite process[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(4): 20-29. DOI:10.20078/j.eep.20230705.
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摘要：
电催化反硝化是处理硝酸盐废水技术之一。本文综述了电催化反硝化的最新研究进展，分析了电催化反硝化直接电子转移和原子氢（H*）介导间接还原两种反应机理，总结了电催化反硝化的决速步是将NO3-还原为NO2-以及决定产物选择性的关键中间体是NO。在此基础上，总结了元素掺杂方法及其对电极材料催化活性中心和电催化反硝化反应路径的调控效应，提出了元素掺杂是提高电极材料催化活性、产物选择性和长期稳定性的有效手段。此外，还讨论了其他因素如水质特征、运行参数等对电催化反硝化效果的影响，明确了水中共存卤素离子如Cl-和Br-等可显著提高N2选择性以及大多数电极材料在中性条件下还原效果最佳。面向日益增长的硝酸盐废水处理需求，指出了电能消耗高和实际废水水质成分复杂导致副反应多是限制电催化反硝化大规模应用的关键瓶颈。由此，展望了电催化反硝化技术研究未来需要针对多种实际废水的理化性质开展长期中试试验，除了提高还原速率和产物选择性外，还要重点关注电能消耗并对处理尾水的安全性进行监测，以促进电催化反硝化技术的进一步发展和实际应用。焦明硕, 徐斌成, 罗泽溪, 程琛, 王颖.元素掺杂材料在电催化反硝化中的研究进展[J].能源环境保护, 2023, 37(5): 25-35. DOI:10.20078/j.eep.20230907.JIAO Mingshuo, XU Bincheng, LUO Zexi, CHENG Chen, WANG Ying. Progress in electrocatalytic denitrification using element-doped materials[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(5): 25-35. DOI:10.20078/j.eep.20230907.
摘要：
硝酸盐（NO3-）电化学选择性还原生成氨（NH3）是实现硝酸盐废水资源化处理的关键。本文综述了NO3-电化学还原生成NH3领域的最新进展，讨论了NO3-电化学还原的机理，选择性生成NH3的关键步骤是将NO3-转化为NO2-和形成N—H键；比较了不同电极材料的性能，提出了强化电极性能的调控策略，分析认为材料的晶体结构、形貌及电荷密度是影响电极性能的关键参数；阐述了电化学反应器对NO3-转化率和NH3选择性生成的影响规律，明确了电解池的核心是避免阳极的干扰和实现NH3的原位分离回收。在此基础上，提出了实现NO3-电化学选择性还原生成NH3的重点是开发低成本、稳定高效的电极材料和研发电化学耦合原位分离NH3的一体化反应器，以及开展长期大规模的实际NO3-废水电化学选择性还原产NH3的研究。李智卓, 姚福兵, 吴星, 高天宇, 宋振辉, 柴喜林, 唐崇俭. 硝酸盐废水电化学选择性还原产氨的研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(4): 56-67. DOI:10.20078/j.eep.20230601.
LI Zhizhuo, YAO Fubing, WU Xing, GAO Tianyu, SONG Zhenhui, CHAI Xilin, TANG Chongjian. Progress in selective electrochemical reduction of nitrate into ammonia[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(4): 56-67. DOI:10.20078/j.eep.20230601.
人工湿地耦合微生物燃料电池处理重金属废水的研究进展
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摘要：
人工湿地耦合微生物燃料电池(CW-MFC)是一项将人工湿地技术(CW)与微生物燃料电池(MFC)相结合的新型技术，克服了MFC无法自成体系的缺点，可以在处理各类型废水的同时产生电能，具有广阔的应用前景和研究意义。近年来，国内外关于CW-MFC处理染料废水、含盐废水、农药废水、有机化合物废水及含抗生素废水等内容开展了大量研究并取得了重要的研究进展，但在重金属废水处理上的研究内容较少且深度较浅。因此，基于现目前已有的研究，从产电性能和污染物去除效果两方面，总结归纳了CW-MFC去除铬、砷、锌、镍、铅等重金属的研究现状，并从基质、电化学、微生物及植物等方面阐明了CW-MFC中重金属的去除机理。通过研究现状及去除机理发现，CW-MFC对含高价态重金属废水(如Cr(VI))的去除效果及产电性能更好，这可能归因于高价态重金属所具有的强氧化性，增大了CW-MFC的氧化还原梯度，促进了系统产电、提高了电化学作用去除的效率。最后探讨了该技术面临的挑战并进行了展望，以期为CW-MFC技术的发展提供理论依据。丁国庆, 王霄, 吴忧, 南静, 宋海亮, 杨玉立. 人工湿地耦合微生物燃料电池处理重金属废水的研究进展[J]. 能源环境保护, 2023, 37(3): 144-154. DOI:10.20078/j.eep.20230113.DING Guoqing, WANG Xiao, WU You, NAN Jing, SONG Hailiang, YANG Yuli. Research progress of constructed wetlands coupled with microbial fuel cells for the treatment of heavy metal wastewater[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(3): 144-154. DOI:10.20078/j.eep.20230113.
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摘要：
污泥裂解液是污泥热水解过程中产生的含有大分子有机物的高浓度溶液，通常采用厌氧消化来实现降解转化及资源回收，但在热转化过程中，美拉德反应产物等难降解有机物会导致成厌氧转化效率较低，产甲烷效率也不高。为了解决这个问题，本研究提出了利用微生物电解辅助厌氧消化(ME-AD)系统对污泥裂解液进行强化处理和资源化的方法，旨在考察大分子有机物的降解效能和短链脂肪酸(SCFAs)转化效率。研究结果表明，与实际污水厂通常处理稀释5倍后的裂解液相比，采用ME-AD直接处理裂解液原液可以提升厌氧降解效率。在序批周期内，COD的去除率为40.2%,比传统厌氧转化提高了15.6%;强化降解污泥裂解液中复杂有机物转化为SCFAs,在第五天强化厌氧发酵过程中，SCFAs的产生达到了最高浓度40.0×105mg/L,其中乙酸的占比最高，达到了68.1%。该研究可为解决污泥裂解液处理难题和污泥资源化利用提供思路。孟庆杰, 王慧, 康旭, 刘文宗.微生物电解强化剩余污泥裂解液发酵产短链脂肪酸[J]. 能源环境保护, 2023, 37(5): 71-77. DOI:10.20078/j.eep.20230901.MENG Qingjie, WANG Hui, KANG Xu, LIU Wenzong. Short-chain fatty acids from lysis liquid of residual sludge anaerobic fermentation enhanced by microbial electrolysis[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(5): 71-77. DOI:10.20078/j.eep.20230901.
间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响
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摘要：
城镇化快速发展导致大量污水污泥（Sewage Sludge, SS）和餐厨垃圾（Food Waste, FW）等有机固废的排放和产生。将微生物电解池（Microbial Electrolysis Cell, MEC）引入到厌氧消化（Anerobic Digestion, AD）过程可实现其高效的甲烷转化。本研究探究了间歇通电和电极反转对MEC-连续搅拌式反应器（Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR）的影响。结果表明，在1.2V的外加电压和15d的污泥停留时间（Sludge Retention Time, SRT）的条件下，MEC-CSTR运行良好，甲烷产率达到（741.9±99.2）mL/L-reactor/d。短暂断电（2d）未对系统各项性能造成不良影响，而过长断电（7d）则会降低反应器的有机物水解效果和甲烷产量；同时，连续电极反转会引起甲烷产量(（541.7±32.0）mL/L-reactor/d)的下降；然而，无论间歇通电亦或电极反转均未对消化液的理化性质和系统稳定性造成不良影响。本研究可为MEC系统提升SS和FW协同厌氧能源化工程的优化实施提供新的解决思路。支忠祥, 韩宇乐, 陆雪琴, 孙雨薇, 甄广印.间歇通电和电极反转对MEC-CSTR反应器污泥餐厨垃圾协同厌氧消化的影响[J].能源环境保护, 2023, 37(5): 121-128. DOI:10.20078/j.eep.20231010.ZHI Zhongxiang, HAN Yule, LU Xueqin, SUN Yuwei, ZHEN Guangyin. Effects of intermittent power-on and electrode inversion on anaerobic co-digestion of sludge and food waste in MEC-CSTR system[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(5): 121-128. DOI:10.20078/j.eep.20231010.
生物质气化耦合固体氧化物燃料电池研究现状及前景分析
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摘要：
中国是目前全球最大的能源消费国，能源结构具有“富煤贫油少气”的特点。煤炭作为化石能源之一，其大量消耗不可避免地导致了CO2的排放问题。生物质气来源广、总量大、环境友好，高效利用生物质可有效降低碳排放和化石燃料的使用。燃料电池是一种可以将燃料中的化学能转化成电能的电化学装置，相较于传统热机，因其不受卡诺循环效应限制，具有更高的能量转化率。固体氧化物燃料电池（SOFC）以其纯固态、高效率和燃料灵活性而备受关注，研究人员不断致力于改进燃料电池材料、组件和系统设计，以提高效率、降低成本，并推进其在能源领域的广泛应用。将SOFC与生物质气化联用可以实现生物质高效分布式发电及能源利用。生物质气化气中含有多种组分及微量污染物，对SOFC的运行存在一定的影响。本文简述了SOFC的工作原理、关键材料、性能提升等相关技术进展，并介绍了生物质气化耦合SOFC运行中存在的问题和挑战。徐越, 李桃, 肖睿. 生物质气化耦合固体氧化物燃料电池研究现状及前景分析[J]. 能源环境保护, 2023, 37(6): 1-11. DOI:10. 20078/j.eep.20231101.XU Yue, LI Tao, XIAO Rui. A review on development status and prospects of biomass gasification integration with solid oxide fuel cells[J]. Energy Environmental Protection, 2023, 37(6): 1-11. DOI:20078/j.eep.20231101.![]()
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《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
