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刘新亮/聂双喜ACB：摩擦电助力造纸废水AOX高效降解

邃瞳科学云

2022-04-23

导读：本文设计了自供电的WD-TENG/PMA/H2O2废水处理系统，系统研究了直流电协同作用对催化剂PMA（Mo5+）的氧化活化规律和增强机制，发现系统中羟基自由基产生效率可提高25%，制浆废水中难降解有

第一作者：刘新亮副教授（广西大学）

通讯作者：聂双喜教授（广西大学）

论文DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121422

图文摘要

成果简介

近日，广西大学轻工与食品工程学院刘新亮副教授、聂双喜教授等人在造纸废水中持久性含氯有机污染物高效降解研究方面取得重要进展，通过构筑自供电的废水处理系统，实现了制浆废水中难降解有机污染物氯酚的高效去除。研究成果以Triboelectric pulseddirect-current enhanced radical generation for efficient degradation of organic pollutants in wastewater为题在环境科学领域国际顶级学术期刊Applied Catalysis B: Environmental上在线发表。广西大学是本成果的第一及通讯作者单位，刘新亮副教授为第一作者，聂双喜教授为通讯作者。基于电催化中电子-质子转移耦合作用，刘新亮副教授设计了自供电的WD-TENG/PMA/H₂O₂废水处理系统，系统研究了直流电协同作用对催化剂PMA（Mo⁵⁺）的氧化活化规律和增强机制，发现系统中羟基自由基产生效率可提高25%，制浆废水中难降解有机污染物模拟物氯酚降解效率可提高10%。此研究为低浓持续污染物的去除提供了新的方法和理论。

全文速览

摩擦电脉冲直流电促进了有机污染物降解过程中自由基的生成。构建了自供电电化学系统，以水驱动纳米摩擦发电机(WD-TENG)为动力，增强4-CP的去除。对WD-TENG的电流、电压和功率输出进行了研究。对4-CP的去除及其降解机理进行了探讨。结果表明，在磷钼酸/H₂O₂(PMA/H₂O₂)体系中，WD-TENG提高PMA(Mo⁵⁺)的转化效率，从而促进羟基自由基(·OH)的生成，使4-CP通过二氯氧化矿化。在WD-TENG供电的电PMA /H₂O₂体系中，120 min内4-CP的去除率提高了10%。本研究为提高自供电电化学处理环境污染的性能提供了一种有前景的方法。

引言

采用直流输出的水驱动纳米摩擦发电机(WD-TENG)构建自供电电化学系统，以提高4-CP的去除效率。研究了WD-TENG的合适结构及其输出性能。采用动力磷钼酸/H₂O₂(PMA/H₂O₂)体系，系统研究了电化学处理4-CP工艺的效率。4-CP通过二氯和自由基矿化去除。

图文导读

自供电4-CP降解系统

Fig. 1. Self-powered 4-CP degradation system. (a) The mechanical energy of liquid flowis collected and converted into electrical energy by WD-TENG in the pipeline. (b) Schematic diagram of WD-TENG improved 4-CP removal. (c) WD-TENG power generation principle. (d) The scheme of 4-CP degradation.

水驱动摩擦电纳米发电机(WD-TENG)，用于从管道中流动的废水中收集能量，电能供给PMA/H₂O₂系统以去除4-CP废水。PMA作为电子介质和质子载体，可以捕获电子，催化H₂O₂产生更多的自由基，如单线态氧、超氧自由基和羟基自由基使4-CP矿化成CO₂和H₂O。

性能测试

Fig. 2. The performance of WD-TENG. (a) Schematic diagram of WD-TENG with different numbers of FEP films installed. (b) Voltage of WD-TENG with different numbers of FEP films installed. (c) Charge of WD-TENG with different numbers of FEP films installed. (d) Voltage of WD-TENGat different speeds. (e) Current of WD-TENG at different speeds. (f) Charge of WD-TENG at different speeds. (g) The dependence of the output current, voltage on different resistive loads (h) Power density curve. (i) The charging voltage of capacitors with different capacities.

对不同结构角度、FEP长度和悬空摩擦电层单元数量对WD-TENG的输出性能进行了研究。随着单元数的增加，电压和电荷均增加，当使用五个独立的摩擦层单元时，电压和电荷分别可达380V和150NC。表明WD-TENG可以作为独立的电化学电源。

自供电电化学去除4-CP

Fig. 3. Self-powered to improve AOX removal efficiency via WD-TENG. (a) Picture of self-powered AOX degradation system. (b) Rectified voltage. (c) Rectified current. (d) The removal efficiency of 4-CP under different reagent. (e) The removal efficiency of 4-CP under different H₂O₂ dosages. (f) The effect before and after rectification on the removal efficiency of 4-CP. (g) The removal performance of 4-CP before and after rectification.

PMA催化H₂O₂从4-CP获得电子生成自由基，使PMA(Mo⁶⁺)还原为PMA(Mo⁵⁺)。H₂O₂也可以通过释放自由基(如单线态氧、超氧自由基、羟基自由基)将PMA(Mo⁵⁺)氧化成PMA(Mo⁶⁺)。在电场作用下，PMA(Mo⁶⁺)能捕获电子，H₂O₂能获得电子生成·OH。在WD-TENG提供的电场和电子的作用下，PMA和H₂O₂都被激活，4-CP的去除率达到100%。

降解机理

Fig. 4. Self-powered degradation mechanism of AOX. (a) ESR spectra of ·OH captured at voltages of 0 V, 10V, and 20 V. (b) ESR spectra of ·O₂^-captured at voltages of 0 V, 10 V, and 20 V. (c) ESR spectra of ¹O₂captured at voltages of 0 V, 10 V, and 20 V. (d) Quantitative test of ·OH captured at voltages of 0 V, 10 V, and 20 V. (e) ·OH capture. (f) Comparison of removal efficiency of ·OH capture. (g) Mospecies of PMA with and without WD-TENG before the reaction. (h) Mo species of PMA with and without WD-TENG at 30 min. (i) Mospecies of PMA with and without WD-TENG at 90 min.

降解路径

Fig. 5. Intermediate products in self-powered 4-CP removal process. (a) HQ, (b) BQ and (c) 4-CC. (d) Concentration of HQ generated during degradation. (e) Concentration of BQ generated during degradation. (f) Concentration of 4-CC generated during degradation. (g) 2-chlorofumaric acid. (h) (E) -4-chlorohex-2-enedioic acid. (i) 4-chloro-3-hydroxycyclohexa-2.4-dienone.

Fig. 6. the possible scheme of 4-CP degradation in self-powered 4-CP removal process.

在WD-TENG电- PMA / H₂O₂体系中发现了4-氯戊二酚(4-CC)、对苯二酚(HQ)和苯醌(BQ)，它们是4-CP的主要氧化产物。4-CC可以通过开环反应降解成小分子片段。这些中间产物可能被自由基进一步矿化成CO₂和H₂O。

小结

这项工作展示了一个自供电的废水处理系统，可以有效地增强和供电WD-TENG。WD-TENG结构合理，结构多样，成本低，效率高，它为电力PMA /H₂O₂系统提供了高压和稳定的电流输出。在实验的基础上，系统地阐述了自供电- PMA/H₂O₂体系降解4-CP的机理和可能的途径。该工作为提高自供电电化学处理环境污染的性能提供了一种有前景的方法。

作者介绍

刘新亮，博士，副教授，博士生导师，现任广西大学轻工与食品工程学院轻化工程系主任。主要从事高性能纤维素材料开发及低浓难降解有机污染物的去除新技术与理论研究，探究纤维素材料的高性能材料形成机制及关键因素、研究低浓度有机污染物的富集-降解技术与理论。先后主持国家自然基金项目、广西自然基金青年基金项目、广西自然科学基金面上项目等，以第一作者或通讯作者身份发表发表论文40余篇。担任Nano Letters、Bioresource Technology、Environmental Technology、Journal of Cleaner Production等期刊审稿人。

聂双喜，博士，教授，博士生导师，现任职于广西大学轻工与食品工程学院。近五年共主持国家自然科学基金面上项目等科研项目 10余项；以第一/通讯作者在 Materials Today、Advanced Functional Materials、ACS Nano等期刊上发表 SCI 论文 50 余篇，其中 SCI 一区论文 41篇、影响因子 15.0 以上的论文 14 篇；论文被国际同行引用 3400 余次，累计入选 ESI 热点论文 1 篇、ESI高被引论文 13 篇；共获授权发明专利 27 件，5 项专利技术已转化应用，转让到校总经费 387.34 万元；先后获得“教育部技术发明一等奖”（2018 年）、“国家技术发明二等奖”（2019 年）及“教育部-霍英东青年教师奖”（2020 年）。