碳纳米管阵列电极强化MFC处理甲苯/二甲苯废气的界面行为研究

批准号:
21906150
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
24.0 万元
负责人:
赵景开
依托单位:
学科分类:
B0603.大气污染与控制化学
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
甲苯、二甲苯是工业涂装废气中O3、二次有机气溶胶生成潜势显著的一类挥发性有机物(VOCs),微生物燃料电池(MFC)具备这类VOCs污染控制及能量回收的应用潜力。针对MFC中苯类VOCs处理速率不足的瓶颈,本申请拟构造碳纳米管阵列(CNTAs)电极实现MFC中污染物界面迁移与反应的协同强化,并开展以下研究:考察CNTAs结构与生物膜生长之间的构效关系,形成CNTAs生物电极制备的优化方案;探明CNTAs吸附过程对甲苯/二甲苯相际传质促进效果,明晰界面吸附与生化反应的协同作用;研究生物电极电子传递机制及污染物降解途径,从而揭示界面反应机理;比较吸收、吸附、反应(电子传递)过程的动力学特征,确定CNTAs-MFC系统限速步骤。预计本项目的研究成果,将为苯类VOCs处理及能量回收MFC系统的开发提供理论依据,并为其实际应用提供数据支撑。
英文摘要
Microbial fuel cell (MFC) has application potential for pollution control and energy recovery of toluene and xylene, which are volatile organic compounds (VOCs) with remarkable O3 and secondary organic aerosols formation potentials in industrial painting waste gas. To break through the bottleneck of the treatment rate of benzene series in MFC, this project intends to construct carbon nanotube arrays (CNTAs) electrodes to enhance the interfacial transfer and reaction of VOCs in MFC. Firstly, the structure-activity relationship between the structure of CNTAs and the growth of biofilm will be investigated to optimize the preparation of CNTAs bioelectrodes. Secondly, while the effect of adsorption of toluene/xylene on CNTAs on their interfacial transfer has been proved, the synergistic effect of interface adsorption and biochemical reaction will be clarified. Thirdly, the mechanism of electron transfer in CNTAs bioelectrodes and the pathway of pollutant degradation would be studied to reveal the mechanism of interface reaction. Finally, to determine the rate-limiting step in the CNTAs-MFC, the kinetic characteristics of absorption, adsorption and reaction (electron transfer) processes will be compared. The research results of this project will provide theoretical basis for the development of MFC system for VOCs treatment and energy recovery, and provide data for its practical application.
围绕“强化微生物细胞与电极基底间的物理接触”这一思路,本项目开发了碳纳米管阵列(CNTAs)电极等高效电极,促进了生物膜与电极基底界面的直接电子传递,达到提升MFC系统VOCs降解同步产电能力的目的。首先,探明了电极制备条件与电极形貌间的定向调控关系,形成了电极表界面空间构象的可控合成方法。其次,揭示电极结构特性与生物膜生长之间的构效关系,同时采用宏基因组学方法考察了电极结构对微生物体内电子传递、VOCs降解的关键功能基因的影响水平,从而实现生物电极结构与性能的定向调控。所得生物电极以乙酸钠、甲苯为为一底物时,功率密度分别达到7549 mW m-2及279 mW m-2,均为迄今同类型反应器中报道的最大值。然后,对比研究了不同生物电极“液相-电极”界面上污染物吸附性能,量化传质效果,通过模拟气体处理实验,考察电极吸附作用对微生物污染物摄取能力的影响和对气液吸收的间接强化作用,比较分析污染物吸附对降解速率的促进水平,阐明VOCs处理过程中界面吸附与生物电化学氧化的协同作用机制。最后,分析了CNTAs与微生物界面的电子传递机制与动力学特征,研究了CNTAs-MFC降解污染物的动力学规律,并比较吸收、吸附以及反应等步骤的动力学参数,探明了生物电化学体系内VOCs废气净化的限速步骤,结果表明高效生物电极的应用可有效解决生物降解反应的速率限制,从而使得VOCs废气净化转变为传质限制过程。上述研究成果,可为MFC生物电极的开发提供新技术路径,并为MFC在VOCs废气净化领域的应用提供有效支撑。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Combined experimental and theoretical study of o-xylene elimination on Fe-Mn oxides catalysts
Fe-Mn氧化物催化剂脱除邻二甲苯的实验与理论联合研究
DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.133442
发表时间:2021
期刊:Chemosphere
影响因子:8.8
作者:Ji Mei;Yao Shen;Yuanming Li;Shihan Zhang;Yi Shen;Wei Li;Zhuowei Cheng;Jingkai Zhao;Jianrong Chen
通讯作者:Jianrong Chen
External potential regulated biocathode for enhanced removal of gaseous chlorobenzene in bioelectrchemical system
外部电位调节生物阴极增强生物电化学系统中气态氯苯的去除
DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.129990
发表时间:2021
期刊:Chemosphere
影响因子:8.8
作者:Zanyun Ying;Han Chen;Jialing Gao;Shihan Zhang;Ruijian Peng;Juping You;Jianmeng Chen;Jingkai Zhao
通讯作者:Jingkai Zhao
3D pore-matched PANI@CNT bioanode for efficient electron extraction from toluene
3D 孔隙匹配 PANI@CNT 生物阳极可有效从甲苯中提取电子
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.231509
发表时间:2022-07
期刊:Journal of Power Sources
影响因子:9.2
作者:Jingkai Zhao;Ke Feng;Yi Lu;Zhuowei Cheng;Jiexu Ye;Yi Shen;Jun Hu;Jianmeng Chen;Shihan Zhang;Wei Li
通讯作者:Wei Li
Co-substrate-Assisted Dimethyl Sulfide Degradation and Electricity Generation in a Microbial Fuel Cell
微生物燃料电池中共基质辅助二甲硫醚降解和发电
DOI:10.1021/acs.energyfuels.1c03043
发表时间:2021-12
期刊:Energy & Fuels
影响因子:--
作者:Yi Lu;Ke Feng;Chao Wu;Lu Zhang;Junyu Hu;Yifan Lu;Shihan Zhang;Jianmeng Chen;Jingkai Zhao
通讯作者:Jingkai Zhao
Kinetics of biocathodic electron transfer in a bioelectrochemical system coupled with chemical absorption for NO removal
生物电化学系统中生物阴极电子转移动力学与化学吸收相结合以去除 NO
DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.126095
发表时间:2020
期刊:Chemosphere
影响因子:8.8
作者:Jingkai Zhao;Ke Feng;Shu-Hui Liu;Chi-Wen Lin;Shihan Zhang;Sujing Li;Wei Li;Jianmeng Chen
通讯作者:Jianmeng Chen
苯乙烯废气生物电化学净化过程中跨膜电子传递通道的构筑及作用机制
- 批准号:52370121
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:50万元
- 批准年份:2023
- 负责人:赵景开
- 依托单位:
国内基金
海外基金
