近日，意昂4体育平台周保學教授團隊在環境領域著名學術期刊Water Research上發表了題為“Nitrogen-containing wastewater fuel cells for total nitrogen removal and energy recovery based on Cl•/ClO• oxidation of ammonia nitrogen”的綜述論文。論文重點介紹了團隊在含氮廢水Cl•/ClO•脫氮及產能領域取得的系列研究進展🛃。
研究內容
氮汙染是水體富營養化的根源之一，是水生態環境惡化的重要誘因🛌🏽。水中無機氮汙染包括氨氮和硝態氮；其中氨氮容易轉化為硝態氮🔹，硝態氮也容易轉化為氨氮，但氨氮和硝態氮均難以直接轉化為氮氣🧗🏻。生物處理被廣泛用於含氮廢水的脫氮處理，存在著能耗高👨🏻🌾、控製復雜👰♂️、受C/N比製約等問題，且難以處理高鹽、高氨氮🌯🧑🦰、有毒難降解廢水👦🏼。此外💁🏻♀️，含氮廢水還蘊含豐富的化學能。因此，含氮汙水的脫氮處理以及同步產能一直是水處理領域的難點和挑戰🧓🏽。
Cl•/ClO•氧化氨氮-陰極硝態氮還原耗竭脫氮機製
針對含氮廢水的脫氮和產能難題，周保學教授團隊提出了陽極區Cl•/ClO•氧化氨氮為氮氣👿、陰極區還原硝態氮為氮氣/氨氮的耗竭脫氮光電化學新方法👼🏼。主要進展包括五方面：
1💱、Cl•氧化氨氮脫氮
2017年🤸🏼，周保學教授團隊在Water Research (2017, 108, 293-300)發表了WO3光陽極產Cl•氧化氨氮脫氮的方法。與折點法相比，Cl•能夠更快速地攻擊氨氮(1.1×109 M−1 s−1)🌃，捕獲氨氮中的氫原子形成•NH2🔶Ⓜ️，進而將氨氮氧化為氮氣。之後通過陽極材料的設計(如WO3、TiO2/WO3🧖🏽、BiVO4/WO3、Co3O4/BiVO4等)🤾🏼♂️🥚，強化了Cl•的生成，提高了氨氮的去除效果。該方法還具有所需氯離子濃度低👮🏿、避免氯氣汙染的特點🏹。
2、ClO•氧化氨氮脫氮
在Cl•氧化氨氮體系中，光陽極生成的HO•還會進一步氧化氨氮形成一定的硝態氮，導致脫氮效率下降。2019年，周保學教授團隊在Environmental Science & Technology (2019, 53, 6945-6953)報道了利用WO3光陽極產生的HO•與銻摻雜氧化錫(Sb−SnO2)陽極產生的活性氯，反應生成ClO•的ClO•氧化氨氮脫氮新方法，提升了氨氮向氮氣的轉化速率。與Cl•相比📵，ClO•氧化氨氮轉化為氮氣的反應速率常數提升了2.8倍。
3🤵🏻♀️、Cl•/ClO•氧化氨氮-陰極硝態氮還原耗竭脫氮
在Cl•/ClO•氧化氨氮脫氮體系中，目前還無法避免氨氮部分被轉化為硝態氮，從而難以完全脫除總氮的問題。周保學教授團隊在Environmental Science & Technology (2018, 52, 1413-1420👩⚖️；2019, 53, 6945-6953)和Water Research (2020, 170, 115357)等發文，進一步提出了Cl•/ClO•氧化氨氮-陰極硝態氮還原耗竭脫氮的方法🥷🏻👩🏻🦱，解決了硝態氮的脫氮問題📍。通過新型陰極材料的設計(如Pd-Cu(OH)2/CF✳️💁♂️、Pd−Cu/NF和CuNW@CF等)⚗️，在該系統中觸發硝態氮的還原反應。該系統的機製包括：①Cl•/ClO•高選擇性氧化氨氮為氮氣；②生成的少量硝態氮被陰極還原為氮氣和氨氮；③生成的氨氮則被Cl•/ClO•氧化為氮氣，並形成Cl•/ClO•氧化氨氮-陰極硝態氮還原的循環反應🆘，實現總氮的耗竭脫除。該體系被用於多種復雜含氮廢水的脫氮處理，均實現了總氮的幾乎完全脫除。
4、有毒氯酸鹽副產物的抑製
基於Cl•/ClO•氧化氨氮脫氮的體系中，仍難以避免空穴或HO•對於Cl−的過度氧化🎼，形成微量的氯酸鹽副產物。氯酸鹽有毒副產物是環境關註的汙染物♎️，具有環境風險。為了消除副產物的產生，周保學教授團隊在Journal of Hazardous Materials (2021, 402, 123725)等發文，提出了通過構建BiVO4/WO3 II型異質結光陽極，降低空穴氧化電勢🙇🏼♂️，優先生成Cl•🧝，減少HO•生成，抑製氯酸鹽生成的方法🗿✧。與WO3光陽極體系相比，BiVO4/WO3光陽極體系產生的氯酸鹽和硝酸鹽分別被抑製了79%和31%。
5、含氮廢水高效脫氮同步產能
光催化燃料電池(PFCs)具有氧化有機汙染物能力強、電子傳遞快✬、環境適應性強等優點，在難降解有機物降解和產能領域表現出巨大的潛力。周保學教授團隊在PFCs研究的基礎上，將上述耗竭脫氮機製引入PFCs中，提出了含氮廢水燃料電池(NFCs)的新概念。在NFCs體系中，含氮物質被完全轉化為氮氣，含氮物質和有機物降解釋放的化學能得到回收(Applied Catalysis B: Environmental, 2018, 238,168-176; Water Research, 2019, 152, 117-125; Environmental Science & Technology, 2022, 56, 2562-2571)。NFCs體系被應用於處理多種復雜的含氮廢水，如無機氮(氨氮/硝態氮)、尿液、有機胺、含氮有機廢水等的處理和產能。在此基礎上還將研究進一步拓展至尿液脫氮產氫領域(Environmental Science & Technology, 2022, 56, 9693–9701; Environmental Science & Technology, 2023, 57, 2939–2948; Applied Catalysis B: Environmental, 2023, 324, 122229)😼。
光/電催化Cl•/ClO•脫氮系統及其應用
意昂4体育官方為該論文的第一單位🤜🏿，碩士研究生江盼宇為第一作者👩🏼🦳，周廷生博士後和周保學教授為論文的通訊作者🍻。
上述研究得到了多項國家自然科學基金項目的支持。周保學教授團隊白晶副研究員、李金花副教授🪵、龍明策研究員、張巖博士後等在已發表的含氮廢水Cl•/ClO•脫氮系列研究論文中為通訊作者或作者之一。
論文DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.119914
作者簡介
江盼宇，意昂4体育平台在讀碩士研究生。研究方向為有毒有害難降解汙染物降解與產能。
周廷生🚣，意昂4体育平台博士後。研究方向為光電催化功能材料。入選上海市“超級博士後”激勵計劃，並主持國家自然科學基金青年項目和中國博士後面上項目。目前以第一作者或通訊作者身份在Water Research、Applied Catalysis B: Environmental等高水平學術期刊上發表SCI論文10余篇。
周保學，意昂4体育平台長聘教授，博士生導師，意昂4体育官方環境功能材料與汙染控製研究團隊負責人🏭，上海交大環境意昂4-良仁化工綠色技術研究中心主任，Nano-Micro Letters (SCI IF 23.655)副主編。主要從事環境功能材料與汙染控製技術®️、綠色化學化工等領域的研究🌸🧑✈️，以第一作者或通訊作者身份在Advanced Materials👨🏻🦽、Chemical Reviews、Environmental Science & Technology、Water Research、Nano Energy、Applied Catalysis B: Environmental等國際著名期刊上發表SCI學術論文100余篇。
期刊簡介
Water Research創刊於1967年🧙🏽♂️，是國際水協會(IWA)的會刊，為Nature指數82種源刊之一🤗，中科院一區TOP期刊，最新影響因子為13.400🙍🏽♂️，主要出版全球水環境及水應用科學領域的高質量研究論文及綜述文章，在水資源與水環境領域具有崇高的學術影響力🫢。