基于三相界面上氧还原特性构建自呼吸生物电Fenton体系(SBBE-Fenton)及零能耗矿化难降解污染物的研究

难降解有机废水的治理是环境工程界面临的难题之一。现有大部分化学处理技术面临的主要问题是运行成本高。生物电催化体系能够利用阳极微生物氧化产生能量驱动阴极反应，实现水中污染物的去除，代表了全新的高效节能处理工艺。本项目将氧还原合成H2O2反应引入生物电催化体系，构建以空气为氧源的自呼吸生物电Fenton体系（SBBE-Fenton），通过原位生成oOH实现零能耗矿化污染物。为了实现这一目标，课题围绕"如何为H2O2生成构造有效的三相界面"这一关键问题，通过使用高效钴配合物催化剂和VGCF载体，调整三相界面的亲疏水度和边界面积，改变阴极水淹面积调整三相界面上的氧浓度和水分子，并优化三相界面厚度，为H2O2生成优化三相界面，并识别该过程中关键材料和运行参数的影响规律，为构建SBBE-Fenton体系提供理论指导。该研究对开发废水处理新工艺，提高难降解废水处理的可持续性有重要的学术价值和环境意义。

难降解有机废水的治理是环境工程界面临的难题之一。当前的技术普遍存在处理效率低、稳定性差、能耗高等问题。本课题使用全新的生物电化学技术（BES）处理难降解废水，紧紧围绕BES的核心—阴极反应及三相界面特性开展研究，通过设计新型的电极结构、强化界面上的物质传递以及构筑具有高度选择性的催化剂优化阴极反应，实现有机废水在BES中能源回收和降解效率最大化。首先，提出活性层和扩散层“双层合一”的思想，使用具有优良导电性和化学稳定性的不锈钢网作为基体，在其微界面直接生长对氧气催化具有高度活性和选择性的钴氧化物颗粒催化剂，提高电子和氧气向三相界面的传输效率；其次，在其表面使用EDTA介导质子传递，通过EDTA携带具有强吸电性的氨基与溶液中的PBS争夺质子，实现质子在三相界面的强化传递；最后，通过构筑对氧还原反应具有高度选择性的催化剂，催化氧还原反应以四电子和二电子途径进行，分别使能量输出和污染物降解达到最优。本研究为优化BES阴极三相界面设计提供了理论上的指导，一旦实现，将大大促进BES从废水中回收能源并降解有机物的发展，具有重要的学术价值和环境意义。