新型光催化-微生物燃料电池两级协同深度降解有机工业废水的机理研究

Microbial fuel cells (MFCs) are novel wastewater treatment and clean energy technologies. However, it shows limited advances on processing toxic recalcitrant organic compounds. Photocatalysis is an effective method for recalcitrant organics degradation with limitations of deep mineralization. In this proposal, we design a novel two-step photocatalysis-microbial fuel cell system, coupling the advantages of photocatalysis towards large molecules degradation and merits of MFC on small molecule biodegradation, to achieve deep and complete mineralization of recalcitrant organic compounds. Key scientific problems under investigation include: clarify the key factors of the reactor architecture for oxygen distribution, reveal the generation and extinction mechanism of active radicals, providing support for the enhancement of degradation efficiency as well as the synergistic effect of each step; study degradation pathways, efficiency as well as stability of intermediates, electron transfer pathway in the photocatalysis-MFC system, reveal the relationship between intermediate and final mineralization efficiency; establish the impact of photocatalysis product toward biofilm acclimation, population as well as electricity production, providing theoretical guidance for effective treatment of organic industrial wastewater to accomplish deep mineralization with the coupled photocatalysis-microbial fuel cells system.

微生物燃料电池（MFCs）是一项新兴的废水处理和清洁能源技术，但有毒大分子有机污染物的降解效率不足。光催化能高效降解大分子有机物，但难以实现深度矿化。本项目通过设计新型的光催化-微生物燃料电池两级系统，耦合光催化对大分子有机物的催化以及MFC对小分子光催化产物的进一步深度降解，实现难降解有机污染物的协同降解及完全矿化。拟解决的主要科学问题包括：研究反应器构型对氧分布梯度调控关键因素，揭示氧气对自由基活性物质的产生和消亡的调控规律，为提高两级降解效率以及协同增效提供依据；研究中间产物的降解途径、速率、稳定性，以及光催化-MFC协同作用下的电子转移路径，揭示光催化-MFC两级协同降解中间产物与矿化效率的相关性；考察光催化降解产物对MFC阳极微生物种群、生物膜驯化，以及产电性能的影响机理，为光催化-微生物燃料电池两级协同深度矿化难降解有机废水提供理论依据。

微生物燃料电池（MFCs）是一项新兴的废水处理和清洁能源技术，但对有毒大分子有机污染物的降解效率不足。光催化能高效降解大分子有机物，但难以实现深度矿化。本研究旨在耦合光催化对大分子有机物的催化以及MFC对小分子光催化产物的进一步深度降解，实现难降解有机污染物的协同降解及完全矿化。主要研究内容包括：.（1）多种光催化材料的制备及性能表征及其对污染物的降解机理研究。针对光催化材料量子效率低和太阳光利用率低的问题，制备和表征了半导体金属氧化物复合材料ZnO/g-C3N4和介孔石墨氮化碳（mpg-C3N4），以“三致”污染物2,4,6-三氯苯酚（TCP）为目标污染物，非均相光催化降解路径主要包含脱氯和羟基取代过程。.（2）空气型光催化反应膜的构建，对关键影响因素进行探究和优化。针对光催化材料在常见的非均相反应体系中难以收集和再处理的问题，将光催化材料负载在某一具有机械强度的基底上以构造单一的液相反应系统，设计优化了稳定可重复的空气型光催化反应膜，并对系统降解机理进行探究。.（3）光催化耦合生物阳极微生物燃料电池的构建以及耦合体系电化学性能与污染物去除能力的探究。研究将光催化材料mpg-C3N4负载在MFC碳毡电极上以构建光催化耦合生物阳极MFC。结果表明耦合体系在10 h内对200 mg/L的TCP降解效率可达79.3%，优于MFC及光催化单独降解效果；当施加光照时输出电压可提高54 mV，功率密度提高13%（19.8 W m−3 vs. 17.6 W m−3）。.（4）光催化耦合生物阳极微生物燃料电池的污染物降解机理与微生物群落探究。根据降解中间产物测定及DFT计算分析，TCP存在包括光催化路径和MFC路径在内的多种降解路径，且仅在耦合体系中检测到开环物质酮己二酸，证明耦合体系中的TCP矿化过程更彻底；另外经过TCP驯化，耦合体系阴阳极主导菌群均发生适应性变化。.（5）空气型光催化反应膜的应用与空气型光催化阴极微生物燃料电池的构建及运行。空气型光催化阴极MFC阴极电子传递电阻远低于传统MFC，且在长期运行和稳定性上表现出明显优势，实现了空气型光催化反应膜的成功应用。