光催化电池及催化电极耦合微生物燃料电池对沙/水污染的修复

摘要

环境污染与能源消耗是当今世界关注的焦点，在污染物治理过程中往往又需要相应的能源投入，随着工业生产以及城市化的快速发展，大量污染物被排入环境中，土壤作为生态系统中重要的一部分，受到严重污染，对整个生态系统以及公众健康都会带来威胁。针对污染场地的修复，光催化燃料电池与生物电化学系统受到广泛关注，可以在降解污染物质的同时产电，既节能降耗，又缩短修复周期。本研究中，利用光催化燃料电池以及催化电极耦合微生物燃料电池体系，实现对水体与沙土中罗丹明B、四环素以及重金属Cr(VI)的修复，结果如下： （1）催化电极制备与表征：制备了ZnIn2S4、RGO/MnO2、Ag/AgCl/GO等催化电极，采用多种表征方法分析，SEM/EDS分析表明催化剂负载均匀，UV-Vis光谱显示，催化电极对紫外光及可见光均具有吸收值，CV曲线表明催化电极具有良好的电子传递性能。通过光催化降解实验，研究表明其催化性能与溶液pH、溶解氧浓度以及溶液中电解质有关。 （2）光催化燃料电池的构建与性能探讨：用制备好的催化电极，利用光催化与电催化，通过光催化燃料电池光池的光电催化，对水溶液中罗丹明B的催化降解影响因素进行探讨。结果表明，曝气条件下，降解效率随着外电阻减小而增大，较强光强有利于提高污染物降解率，向溶液中加入NaHSO3后降解率会进一步提高，产电量也随之变大。 （3）新型光催化燃料电池的水体沙土修复：将光催化燃料电池引入沙土水体修复中，构建可见光响应的光催化燃料电池水体沙土修复系统，对沙土水体中以罗丹明B及四环素进行修复研究。结果表明沙土中RhB含量会随着其在水溶液的降解而降低，环糊精促进污染物从沙土中向水中迁移，KMnO4/NaHSO3的加入加速了污染物的降解，同时实现了污水处理与沙土修复。 （4）催化电极耦合微生物燃料电池的水体沙土修复：通过构建催化电极耦合微生物燃料电池水体沙土修复体系，对不同类型的污染物进行降解修复。由于催化电极的光电催化、微生物的分解代谢以及沙土水体间的扩散转移，沙土中的Cr(VI)及罗丹明B在几小时内即可被降解至较低水平，完成水质净化与沙土修复功能。 通过构建催化电极耦合生物电化学沙土水体修复体系，在污染沙土以及水体修复中取得良好效果，为污染场地的修复提供了一种经济、可持续、高效的污染修复技术。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1光电催化技术

1.1.1 光催化技术

1.1.3 光电催化技术在污染物降解方面的应用

1.2生物电化学系统研究及其应用

1.2.1 生物电化学系统分类及其原理

1.2.2 生物电化学系统在污染治理方面的应用

1.2.3 生物电化学系统环境修复的影响因素

1.3 土壤污染现状与修复技术

1.3.1 土壤污染的特点及危害

1.3.2 污染土壤修复技术

1.3.3 污染沙土的生物电化学修复与研究现状

1.4 本研究目的、意义及内容

1.4.1 研究目的与意义

1.4.2 研究内容

2 光催化电极的制备与催化性能探讨

2.1 材料与方法

2.1.1 试剂与仪器设备

2.1.2 催化剂制备

2.1.3 催化电极制备

2.1.4 催化电极的表征分析

2.1.5 催化电极光催化性能研究

2.2 结果与讨论

2.2.1 污染物测定分析

2.2.2 催化电极形貌结构分析结果

2.2.3 催化电极光学性能分析结果

2.2.4 催化电极电化学性能分析结果

2.2.5 催化电极光电催化性能分析结果

2.3 小结

3 光催化燃料电池的构建与性能研究

3.1 材料和方法

3.1.1 光催化燃料电池的构建

3.1.2 光催化燃料电池的催化性能探讨

3.2 结果与讨论

3.2.1 不同曝气条件下光催化燃料电池的催化性能

3.2.2 不同外电阻对光电催化降解污染物的影响

3.2.3 不同光源对光电催化性能的影响

3.2.4 不同催化电极下催化降解性能研究

3.2.5 不同电解质下光催化燃料电池的光电催化研究

3.3 小结

4 新型光催化燃料电池的水体沙土修复研究

4.1 材料与方法

4.1.1 沙土预处理与理化性质测定

4.1.2 沙土水体污染物吸附性能探讨

4.1.3 光催化燃料电池的水体沙土修复体系反应构型

4.1.4 光催化燃料电池的水体沙土污染修复研究

4.2 结果与讨论

4.2.1 沙土理化性质及不同条件下的吸附分配特性

4.2.2 高效液相色谱检测下污染物的标准曲线

4.2.3 光催化燃料电池水体砂土修复中罗丹明B的降解研究

4.2.4 单极负载与双极负载下PFC水体沙土体系中四环素的降解效果

4.2.5 表面活性剂环糊精对修复效果的影响

4.2.6 KMnO4/NaHSO3对PFC沙水修复中四环素的降解结果

4.2.7 盐溶液浓度对修复效果的影响

4.3 小结

5 催化电极耦合微生物燃料电池的水体砂土修复

5.1 材料与方法

5.1.1 产电微生物驯化与培养

5.1.2 污染沙土的采集与分析测定

5.1.3 催化电极耦合微生物燃料电池反应器构型

5.1.4 污染降解修复研究

5.2 结果与讨论

5.2.1 产电菌培养驯化结果

5.2.2 污染物的标准曲线绘制与检测

5.2.3 催化电极耦合微生物燃料电池水中污染物降解结果

5.2.4 PMFC沙土中重金属Cr(VI)污染修复效果

5.2.5 PMFC中砂土中罗丹明B与水中Cr(VI)的联合修复效果

5.2.6 催化电极耦合微生物燃料电池水体沙土体系修复机理分析

5.3 小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢