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    科研進展

    新疆理化所等在廢水處理及可持續產氫方面的研究獲得進展

    發布時間:2022-10-13

    世界人口、經濟和城市化的迅速發展,不僅導致全球能源需求的增加,而且還造成了更多的空氣和水資源污染。在眾多能源中,氫氣(H2)因其單位重量的能量含量高(142 kJ g-161,000 Btu lb-1)而成為未來理想的綠色燃料,過去從不可再生資源(化石燃料)中生產氫氣對環境是不友好的。因此,必須探索H2產量更高的清潔技術,以滿足全球碳排放達標的合理期望。微生物電解池(MECs)由電化學活性細菌從有機污染物中提取的電子(e-)被轉移到正極(陽極),而質子(H+)被釋放到水溶液中。e-遷移到正極并隨后與H+反應產生H2的清潔方法在處理棕櫚油廠廢水(POME)中得到關注。但這個過程需要外部能量-直流電(DC)或交流電(AC)來持續生產氫氣,由于缺乏可靠的能源供應來源,MECs的性能隨著時間的推移不斷惡化,限制了它的進一步大規模應用。尋找一種合適的傳統電源的替代方法來減少輸入能量,由于其可擴展性而很有前途,從而引起了國內外研究人員的極大興趣。

    基于此中國科學院新疆理化技術研究分離材料與技術研究團隊與馬來西亞國立大學(UKM)研究團隊合作,在前期的研究 (Int. J. Hydrogen Energy. 2022, 47, 15464-15479) 基礎上建立了一個新型和可再生能源發電系統,以提高微生物電解池(MEC)處理棕櫚油廠廢水(POME)的效果,解決了MEC技術能源消耗問題。為了實現能源的可再生,科研人員將微型水力發電機(PHP)與單室的MECs結合起來,極大地提高了系統的電流密度(113 A/m3)和產氫速率(1.16 m3 H2/m3 d)。與此同時,棕櫚油廠廢水(POME)中有機物去除率達到73%,比單室MECs有機物的去除表現出更優的性能。相對高效的H2回收率(r H2=78%)和庫侖效率(CE=57%)也證實了從POME有機物中去除高比例的電子以產生大于96%H2的可能性。MEC滋養了POME廢水降解微生物群體,同時刺激了陽極生物膜中電活性微生物的生長,促使H2的快速生成。迄今為止PHP-MEC的整體H2回收率、COD去除率和能源效率都優于由其他外部可再生能源驅動的MECs。它在可持續處理含油廢水方面有很大的潛力,為設計有效的生物策略從復雜的工業廢水中回收能源提供理論基礎和技術指導。

    相關研究成果發表在《國際氫能雜志》(International Journal of Hydrogen Energy)上,新疆理化所為第一完成單位,馬來西亞國立大學(UKM)為合作單位。分離材料與技術研究團隊的阿卜杜克熱木·喀迪爾助理研究員和碩士研究生宋東升為共同第一作者,阿卜杜克熱木·喀迪爾助理研究員和馬鵬程研究員為共同通訊作者。此項工作得到了中國科學院和馬來西亞國立大學的共同支持。 

    論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.09.023

     

    實驗裝置示意圖

     

     

    PHP-MEC反應器的關鍵性能指標(電流密度和COD去除率)隨時間的變化

    MEC接種物和陽極生物膜中微生物的屬級分類。<3%的總細菌群落被稱為“其他”

     

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