光催化耦合微生物同步降解污染物

由于水体中新兴污染物不断增多,如何运用新型处理技术来弥补传统污水处理方法的缺陷已成为当前的研究热点。光催化耦合微生物同步降解污染物(ICPB)在保留生物法处理废水优点的同时,耦合了光催化高效、迅速的特性,可实现对多种污染物质的有效降解,节约了能源和成本,成为水体污染物有效去除的一个重要研究方向。ICPB体系主要由多孔载体、光催化材料及生物膜构成;其主要的工作原理是通过光激发载体上的光催化材料,将水体中难生物降解的污染物转化为可生物降解的物质,同时在载体内部微生物的代谢作用下,将这些污染物的中间降解产物继续矿化。本文根据光催化耦合微生物同步降解污染物体系中的关键构成,归纳总结了载体种类、光催化材料和负载生物的研究进展,探讨了该方法在去除水体污染物中的实际应用,并展望了其将来发展的方向和趋势。     

环境净化中的微生物生态学

以活性污泥法为代表的生物处理技术一直是人类解决废水问题的主要手段,而微生物在环境污染物分解中更是发挥了无法替代的作用.长期以来,阐明环境净化中的微生物生态学过程,探讨污染物降解转化中微生物的作用机制,是环境科学与工程领域关注的热点问题之一.近年来迅速发展起来的分子生物学技术为人们认识人工系统以及自然环境中微生物的群落结构、功能和微生物之间的相互作用,以及构筑更加高效的生物处理系统、强化污染环境的修复能力提供了有力手段.本文在介绍了常用分子生物学方法的基础上,阐述了在废水处理及污染物降解方面微生物生态学的研究进展.     

钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

发展氧气还原反应(ORR)的二电子高效电催化剂一直是燃料电池领域的研究热点,但针对具有二电子还原特征且可应用于水处理领域电极材料的研究还处在起步阶段。本综述介绍了近年来二电子还原特征的贵金属电极材料及其在电催化处理水中污染物的研究进展。在Fe~(2+)存在下,Pd基电极材料催化氧气还原合成H_2O_2,间接催化氧化水中有机污染物,实现有机物的矿化降解和水质的净化;Pd基电极催化还原水中有机污染物、无机盐等,将其转化为低毒性、易处理产物并彻底去除;Pd基催化电极的高效电子传导性能增强了水中重金属离子的氧化/还原转化,实现重金属去除。本综述展望了纳米电极材料在水处理应用的机遇与发展方向。     

电驱动下的环境污染物厌氧生物转化—电子转移原理和应用实例

厌氧环境下一些微生物能够接受来自于电极的电子并将电子传递至环境污染物,这使得电驱动下生物还原技术在可持续性废水处理以及生物修复方面受到越来越多关注.此体系中,阴极电子传递被认为是影响环境污染物厌氧转化可行性和效率的制约因素.文中首先评述可能的电子传递原理,包括水解氢气介导的间接电子传递、人工合成电子穿梭体或者细菌分泌电子穿梭体介导的间接电子传递、以及电极与细菌之间的直接电子传递等途径.相比间接电子传递,直接电子传递避免了将电子传递给没有起作用的介体及没有和电极接触的浮游微生物,因而更加节能.另外,列举了自养反硝化、生物还原脱氯、重金属生物还原、CO2生物还原以及硫酸盐生物还原等应用实例.最后,提出了此领域研究发展亟需解决的两个重要问题,包括阴极生物膜的培养以及电子从电极转至微生物内在机理的解析.     

水环境中ZVI/氧化剂体系及其电子迁移作用机制

利用零价铁(Zero-Valent Iron,ZVI)去除水环境中的污染物成为近年来的研究热点。当O_2、H_2O_2等氧化剂存在时,ZVI、氧化剂与污染物之间的电子迁移机制非常复杂,ZVI和氧化剂之间的相互影响机制尚无定论。传统观点认为,O_2会促进ZVI钝化膜的形成并阻断电子传递从而降低ZVI的还原性能。然而O_2可在ZVI作用下通过双电子传输转化为H_2O_2,构成ZVI/O2类Fenton体系;在此基础上,利用额外加入H_2O_2、HSO_5~-、S_2O_8~(2-)等氧化剂,发展出了基于·OH或SO_4~(·-)的ZVI/氧化剂高级氧化体系(ZVI-AOPs),从而氧化降解有机污染物。有学者认为H_2O_2、KMnO_4、S_2O_8~(2-)等强氧化剂的加入反而可以加快ZVI腐蚀和失电子的速率,从而提高ZVI去除重金属等污染物的还原性能,该研究结论对钝化膜机制提出了挑战。ZVI与氧化剂的联合作用还可以实现同时还原去除重金属和氧化降解有机物,也可以对卤代有机物等抗氧化污染物实现先还原后氧化去除。本文综述了基于ZVI/氧化剂的高级氧化或还原体系及其电子迁移机制,同时对ZVI与氧化剂的联合作用体系作一总结,并就值得深入研究的问题进行了展望。     

高价锰、铁去除水中新兴有机污染物

新兴有机污染物在水环境中广泛存在,对生态环境和人体健康都有潜在危害,如何去除水环境中的新兴有机污染物成为研究人员日益关心的问题。高价锰、铁,主要指高锰酸钾(Mn(Ⅶ), KMnO₄)、高铁酸钾(Fe(Ⅵ),K₂FeO₄),是两类高效且环境友好的无机水处理药剂,可以高效地去除新兴有机污染物,因而备受人们关注。同时,高价锰、铁在降解新兴有机污染物过程中具有相同或者相近的化学性质和相近的化学行为。当前,关于高价锰、铁氧化降解新兴有机污染物的研究主要集中在构建动力学模型,解析中间价态的锰、铁的作用,阐述与其他物质或工艺联用时可能产生的自由基的作用及其在实际水体中的应用。本文综述并比较了高价锰、铁氧化降解新兴有机污染物的动力学模型、中间价态离子的作用、自由基的作用和在实际水体中的氧化特性。     

十二烷基苯磺酸钠氧化降解的研究

随着工农业的发展,表面活性剂已广泛应用于各个领域,表面活性剂废水的大量排放成为水体CODCr的重要来源.目前对此类废水的降解研究主要集中于生物法和光催化法[1].高铁酸盐具有强氧化性,在水处理方面可用于杀灭藻类和细菌[2],氧化降解水中的污染物[3,4]等,本研究以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)水溶液作为表面活性剂模拟废水,研究高铁酸盐(FeO42-)对其处理效果和降解机理.实验结果表明,新型水处理剂高铁酸盐可以有效降解SDRS.     

光催化耦合技术在废水处理中的最新进展（英文）

随着工业进步和人口增长,大量难降解的有机污染物被排放到水体中,环境污染成为一个日益严峻的全球性问题.大多数有机污染物具有致癌性、诱变性、细菌性和复杂多样性,难以通过传统的化学、生物和光解等处理方法有效去除,亟需探索环保有效的去除污染物技术.光催化技术可以直接利用太阳光进行污染物降解,对环境友好,然而,其实际应用受到太阳能利用率低、催化剂分离困难、催化剂稳定性低以及矿化率低等因素的限制.近年来,将光催化技术与其他技术耦合成为解决上述困难的新趋势.对光催化耦合技术的最新进展和工作机制进行系统地梳理和总结对进一步推动去除污染物技术的发展具有重要意义.本文系统总结了光催化耦合技术在废水处理中的最新研究进展.首先,简要介绍了光催化的机理和研究进展,总结了光催化技术在废水处理过程中存在的问题.然后,简要介绍了光催化耦合技术在解决上述问题过程中的研究进展和发展趋势.其后,通过重点介绍一些典型研究,详细地阐述了光催化技术与传统水处理技术(吸附法、膜分离法、生物降解法)、高级氧化技术(电催化法、臭氧化法、Fenton法、过硫酸盐法)和其他技术(热催化法、等离子体法、超声波法、压电催化法、磁场法)的耦合机...     

双功能气凝胶吸附-降解协同处理染料废水

针对吸附法处理染料废水易产生二次污染和基于过一硫酸氢盐(PMS)的高级氧化技术降解有机污染物易受水体复杂成分影响的问题,设计构筑具有吸附和活化PMS功能的铁掺杂纤维素纳米纤维/还原氧化石墨烯气凝胶(CNFs/RGO/Fe)用于吸附-降解协同处理染料废水.CNFs/RGO/Fe对阳离子染料具有良好的选择性吸附功能,其对亚甲基蓝(MB)、罗丹明B (RhB)和结晶紫(CV)的最大吸附容量分别高达655.1 mg/g、696.5 mg/g和962.1 mg/g,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温模型.将吸附染料的CNFs/RGO/Fe置于PMS溶液中,可以促进PMS活化产生大量·OH,实现对吸附质的降解和气凝胶的再生.经5次吸附-降解循环后,CNFs/RGO/Fe对染料去除率仍保持在75%以上,表现出良好的重复使用性.本研究有望为去除复杂水体中有机污染物提供新思路.     

多酸@金属-有机骨架材料的制备及其在废水处理中的应用

废水中的污染物由于其成分复杂、生物毒性大和难降解等特点,危害人体健康,因此,寻找开发一些能有效去除废水中的剧毒和难降解污染物的吸附剂成为亟待解决的问题。金属-有机骨架材料(MOFs)由于结构有序且多样、拓扑结构丰富、孔隙度超高、比表面积大、骨架结构稳定和易于掺杂其他组分等特点,使其在吸附领域得到了广泛的关注。多金属氧酸盐(POMs)与MOFs材料复合形成新的杂化材料POMs@MOFs,与纯MOFs材料相比不仅具有其独特的性质,同时也兼具POMs的强酸度、富氧表面和氧化还原能力,并且克服了缺点,如难以处理、比表面积小和溶解度高等特点。近年来,科研工作者发现POMs与MOFs的复合物作为吸附剂在废水处理领域具有优异的性能。本文结合本课题组的研究工作对POMs@MOFs的制备尤其是各种制备方法的优缺点进行了归纳分析,并围绕POMs@MOFs复合材料在废水处理中的应用发展进行综述,对未来研究方向和发展前景进行展望。     

聚氨酯泡沫材料用于环境中金属离子监测及污染物去除的研究进展

聚氨酯泡沫材料具有加工成型简便、成本低廉、孔结构丰富、比表面积大、对环境中污染物吸附性能强、耐老化和抗有机溶剂浸蚀等优点,在环保与监测领域中的应用正受到广泛关注。本文重点综述了聚氨酯泡沫材料在金属离子富集与分离、固定化微生物去除废水中的重金属离子和有机污染物等环境保护领域的应用,并对其应用前景作了展望。     

硫化纳米零价铁去除水体污染物的研究进展

纳米零价铁（NZVI）作为一种原料来源广泛的环境污染修复剂,被广泛应用于地下水和废水等水环境污染修复领域中.尽管这种材料具有反应活性优异、成本低和毒性低的特点,但又面临着自身性质带来的在原位修复和储存等方面的局限.在提高其在水环境中的实际应用潜力的改性方法中,硫化作用成为近10年来的一个研究热点,这也意味着NZVI改性的研究重点从提高NZVI反应活性转移到提高电子的选择性上.硫化型NZVI的制备方法各异,制备方法主要为化学法.这些硫化型材料被大量应用于水体有机污染物降解和重金属去除的研究中来考察它们的实际反应活性,其与水体污染物在不同环境体系下的反应机制也被深入研究.其中,根据硫化型NZVI降解污染物种类和反应条件的不同,大致可以分为吸附、还原和氧化这三大类.尽管目前硫化型NZVI的实际应用仍面临着较多的局限,但是在提高反应活性和电子选择性等方面突破巨大.深入地梳理硫化型NZVI的反应性能和其去除水体中污染物的反应机制的研究进展能够为未来硫化型NZVI的研究指明发展方向.由于硫化型零价铁的优异性能,该材料和相关的硫化铁系材料将会逐步成为环境修复领域的重要材料分支,具有潜在的发展前景.     

零价铁耦合厌氧微生物法在废水处理中的应用

零价铁(ZVI)与厌氧微生物的耦合是一项很有前景的技术,在难降解有机废水的去除中得到了广泛关注。该耦合技术将ZVI技术的高效性与厌氧生物技术的经济性有效融合,在多元微电场和厌氧微生物协同作用下,有效降低难降解有机物的生物抑制性和毒性。本文综述了此技术处理工业废水的潜在机理、实际应用中主要操作参数及影响条件以及处理含氯化合物、重金属、染料等生物难降解污染物的研究进展。归纳了ZVI与厌氧微生物耦合对上述污染物进行高效去除的研究现状,并对该技术在实际工程应用方面的可行策略进行了展望。     

基于尖晶石型铁氧体的高级氧化技术在有机废水处理中的应用

随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快,自然水体中的有机污染问题愈加严重。基于自由基反应的高级氧化技术(AOPs)可以高效去除水环境中残留的难生物降解的有机污染物,在催化剂的作用下,高级氧化过程方能有效生成强氧化性的自由基来降解有机污染物。尖晶石型铁氧体(MFe₂O₄(M=Zn, Ni, Co, Cu, Mn))被广泛用作高级氧化过程中驱动自由基生成的催化剂,同时强磁性及高稳定性保证其容易在外加磁场的作用下实现回收和再利用。本文主要综述了基于尖晶石型铁氧体的非均相类芬顿技术、光催化技术及过硫酸盐高级氧化技术在有机废水处理方面的研究进展,着重介绍了不同铁氧体磁性纳米材料在上述3种高级氧化技术中催化降解水体中有机污染物的作用机制以及催化性能增强的途径;最后指出尖晶石型铁氧体在高级氧化技术应用中存在的一些问题,并对其后续研究方向进行展望。     

腐殖酸的氧化还原行为及其研究进展

腐殖酸具有明显的还原能力,与环境中金属、有机物的氧化还原反应密切相关.腐殖酸的氧化还原特性是由于醌、酚等官能团的存在,尤其是醌基团在电子传递中起到了重要的作用,还原态醌基团是腐殖酸还原能力的主要来源.还原微生物通过电子传递将氧化态腐殖酸转化为还原态形式,还原态腐殖酸可以还原Cr(Ⅵ)、Hg(Ⅱ)、V(Ⅴ)等重金属和U(Ⅵ)等放射性核素以及芳香化合物等物质,腐殖酸在这个过程中充当了电子传递体,对自然界中污染物质的转化和降解起着重要的作用.本文对腐殖酸氧化还原行为的研究进展进行了综述,并分析了其环境意义及未来的研究方向.     

TiO_2光催化降解氯酚类有机污染物的反应机理

氯酚类有机污染物具有较高毒性、难生物降解和强生物累积性等特点,成为较受关注的一类优先控制污染物.我们总结了氯酚TiO2光催化降解机理研究方面的最新进展,阐述了直接光解、·OH氧化、1O2氧化、O(3P)氧化、O2·氧化、导带电子还原和表面络合物电子转移等氯酚光降解途径与机理.重点讨论了O2在氯酚吸附、光催化降解乃至矿化过程中的重要作用.     

纳米零价铁与重金属的反应:“核-壳”结构在重金属去除中的作用

重金属是一类毒性较高、处理难度较大的环境污染物.纳米零价铁因为具有高效分离、固定重金属的潜能而受到广泛关注.其独特的纳米级核壳结构和表面性质使纳米零价铁能够通过吸附、还原和沉淀等多种作用高效去除重金属.现代仪器分析手段的进步,特别是高分辨电子显微成像技术的发展,为深入研究纳米零价铁的微观结构以及纳米零价铁与重金属的作用机理开辟了新的视角.本文重点讨论了纳米零价铁的结构、性质及其在重金属去除中的作用.研究借助高分辨率的球差校正扫描透射电镜(Cs-STEM)成像,配合高灵敏度的X射线能谱仪(XEDS)进行化学分析,旨在更好地了解纳米零价铁的精细结构及其与重金属的界面反应过程和机理.在深入理论研究的同时,通过"小试—中试—工程"逐级放大的方法,系统论证了纳米零价铁处理重金属废水的可行性.结果表明,纳米零价铁可有效、同步去除实际废水中铜、砷、铅、锌等多种重金属,并具有较高的去除负荷.     

水环境中铜的光化学研究进展

水环境中的铜主要以配合物形式存在,大多具有光化学活性.由于铜在光化学过程中的氧化还原循环可以导致其配体以及水体中有机污染物的降解,所以铜及其配合物在污染修复技术中的应用逐渐受到关注.本文综述了水环境中铜的光化学研究进展以及在多相和均相光催化体系中铜对污染修复的影响.     

四氧化三铁基纳米材料制备及对放射性元素和重金属离子的去除

四氧化三铁(Fe_3O_4)纳米材料因比表面积大、功能基团多、活性强、便于磁性分离等优点,在吸附和分离放射性元素及重金属离子方面显示出了广阔的应用前景。然而,该材料也存在着易团聚、分散性差、化学稳定性差等局限性,这些缺点可通过表面功能化修饰得到大大改善。本文概括了四氧化三铁基纳米复合材料合成方法的特性、优越性和局限性,综述了水体放射性元素及重金属离子污染去除研究中的磁性纳米材料的类型,归纳总结并比较了功能性磁性纳米材料对不同种类的放射性元素及重金属离子的去除能力及优缺点,探讨了四氧化三铁基纳米材料在放射性元素和重金属离子污染去除中的应用并对其机理进行了分析,对功能化磁性纳米材料在去除放射性元素及重金属离子污染水体治理中的应用前景进行了展望。     

双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂驱动人工碳循环（英文）

长期以来,陆地、大气和海洋之间的碳循环维持了大自然碳平衡.随着密集人类活动和高度工业发展,碳燃料、碳化学品和碳材料广泛应用于各个领域,导致碳排放过量,碳平衡已被严重破坏,碳污染已成为一个严峻问题.例如,持久性有机污染物和挥发性有机化合物过量排放到环境中,威胁着人类的健康和生态平衡.人们陆续开发出各种先进的环境技术,如微生物分解,去除空气和水中的碳基污染物,将有毒有害的有机化合物转化为无害CO2.但是,CO2本身是大气中的主要温室气体,它在大气中的浓度早超过了天然碳循环所能维持的环境自洁净能力.基于先进催化技术建立人工碳循环,将有机污染物矿化生成的CO2进一步转化为有价值的有机化学品(如太阳能燃料)是一种理想的低碳方法.光合作用是自然碳循环中核心过程之一,是降低大气中CO2浓度的关键.受到光合作用启发,科学家们积极开发人工光合成技术推动CO2资源化.人工光合成技术本质上基于半导体光催化过程.半导体光催化过程具有双重作用.一方面,基于有氧光催化氧化过程,有机污染物可以矿化生成无毒CO2.另一方面,基于缺氧光催化还原过程,CO2可以转化为碳氢化合物太阳能燃料.理论上,结合上述两个过程,为建立人工碳循环奠定基础,但是,至今很少有人成功建立有氧氧化-无氧还原串联光催化工艺,实现人工碳循环.难点在于有机污染物的有氧氧化反应和CO2的无氧还原反应的操作条件与反应机制是完全不同的,目前缺乏同时适用于上述两种反应的双功能光催化剂.本文成功构建了具有双功能的g-C3N4/Bi/BiVO4三元复合光催化剂,它不仅在降解有机污染物方面表现出优异的有氧光催化氧化性能(以降解染料罗丹明B为例),而且还表现出优异的缺氧CO2光催化还原性能.此外,基于“一锅法”厌氧耦合氧化-还原反应,g-C3N4/Bi/BiVO4三元复合光催化剂成功实现同步罗丹明B降解与太阳能燃料生成,构建了从毒害有机污染物到高品质太阳燃料的碳循环.结合牺牲剂实验分析与密度泛函理论理论计算,作者提出g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂的双功能性与g-C3N4与BiVO4界面内建S-型复合异质结有关.S-型复合异质结既促进界面电荷转移与分离,又维持了最佳电荷氧化还原电位.此外,S型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂中原位生成的具有等离子体效应的Bi纳米颗粒具有双重作用,既促进界面电荷定向转移,又促进可见光吸收.本文开发的新型双功能S-型g-C3N4/Bi/BiVO4复合光催化剂系统为进一步开发集成式有氧-缺氧光催化碳循环反应系统奠定基础.