[发明专利]光/生物电化学集成模块水体净化系统装置及其应用

说明书

光/生物电化学集成模块水体净化系统装置及其应用，包括由光催化系统装置和生物电化学处理单元组成，所述光催化系统装置包括太阳光伏电池，所述生物电化学处理单元包括至少一组由生物阳极、复合阴极和附加阴极组成的电路，其中复合阴极和附加阴极并联，所述生物阳极为碳材料，复合阴极以碳材料为基材，原位合成纤维素炭气凝胶改性，经共沉淀负载铁基氧化物，附加阴极上负载石墨烯、铁氧化物或二硫化钼为催化剂。本发明将水体中痕量有机微污染物快速吸附于复合阴极，在附加阴极与外光源系统的协同作用下同步实现催化氧化分解为小分子，然后经生物阳极深度降解为二氧化碳和水，实现水体微污染高效净化。

技术领域

本发明涉及痕量污染物处理领域，具体涉及一种光/生物电化学集成模块水体净化系统装置及其应用。

背景技术

痕量有机污染物是指通过各种环境介质（大气、水、生物体等）能够长距离迁移并长期存在于环境，具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性和高毒性，对人类健康和生态环境具有严重危害，如多环芳烃、全氟类化合物、溴代阻燃剂等。这些物质在各种工业生产和日常生活中广泛使用，会通过污水排放、产品废弃等途径进入环境中。

目前对环境中痕量有机污染物的去除方法主要包括物理法、化学法和生物法。物理法主要通过吸附作用实现污染物的去除，该方法不能实现痕量有机污染物的彻底降解。化学法包括光催化氧化、直接化学氧化等技术。生物法则是利用微生物的生长代谢作用实现有机污染物的降解，但存在降解效率低等问题。因此，每种方法都有各自的优缺点，如何将不同方法有机结合，实现痕量有机污染物的快速、高效、彻底的降解成为了研究重点。

发明内容

解决的技术问题：针对以上存在的问题，本发明提供了一种光/生物电化学集成模块水体净化系统装置及其应用，将吸附浓缩、产过氧化氢、光/芬顿化学氧化以及生物降解耦合于一体，为有效解决环境中痕量有机污染物难以降解问题提供一条新途径。

技术方案：光/生物电化学集成模块水体净化系统装置，由光催化系统装置和生物电化学处理单元组成，所述光催化系统装置包括太阳光伏电池，所述生物电化学处理单元包括至少一组由生物阳极、复合阴极和附加阴极组成的电路，其中复合阴极和附加阴极并联，所述生物阳极为碳材料，复合阴极以碳材料为基材，原位合成纤维素炭气凝胶改性，经共沉淀负载铁基氧化物，附加阴极上负载石墨烯、铁氧化物或二硫化钼为催化剂。

上述光催化系统装置中所需光源包括太阳光、紫外光或人工可见光。

上述太阳光伏电池外加低电压范围为0.2 V-0.8 V。

上述生物电化学处理单元中的生物阳极、复合阴极与附加阴极电极的碳材料包括石墨棒、碳毡或碳刷。

上述复合阴极的制备步骤为：（1）将木材或竹材原料分散于质量分数为10%的氢氧化钠溶液中，在60-90 ℃下搅拌2-4 h后过滤；将过滤后的样品加入到pH为4-5浓度为1mol/L的亚氯酸钠溶液中，在60-90 ℃下搅拌2-4 h后，用蒸馏水洗涤至中性，得到纤维素悬浮液；（2）将纤维素悬浮液经100 Hz超声处理得到分散性良好的微/纳米纤维素悬浮液，并将碳材料置于微/纳米纤维素悬浮液中，其中碳材料与微/纳米纤维素悬浮液的质量比为1:（1-10）；（3）将上步制得的含有碳材料的纤维素悬浮液静置于40-80 ℃下2-10 h，得到含有碳材料的纤维素水凝胶；（4）通过冷冻干燥将含有碳材料的纤维素水凝胶在-40至-80 ℃下干燥24-36 h形成纤维素气凝胶；（5）将含有碳材料的纤维素气凝胶在惰性气体保护下，700-1000 ℃碳化2 h，最终在碳材料上原位制备出具有导电性的纤维素炭气凝胶，记为阴极电极材料1；（6）利用共沉淀法或浸渍法在阴极电极材料1上原位合成铁基氧化物，最终制得复合阴极。

上述铁基氧化物为Fe₃O₄或Fe-Mn二元氧化物。

上述附加阴极的制备方法为涂布法、浸渍法或原位合成法。