来源:Frontiers of Environmental Science & Engineering 发布时间:2022/7/4 9:48:40
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FESE | 前沿研究:废水处理遇上人工光合作用:从太阳能到绿色燃料生产、水修复及碳减排

论文标题:Wastewater treatment meets artificial photosynthesis: Solar to green fuel production, water remediation and carbon emission reduction(废水处理遇上人工光合作用:从太阳能到绿色燃料生产、水修复及碳减排)

期刊:Frontiers of Environmental Science & Engineering

作者:Zhida Li, Lu Lu

发表时间:26 Jan 2022

DOI:10.1007/s11783-022-1536-5

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原文链接(点击“阅读原文”直接获取)https://journal.hep.com.cn/fese/EN/10.1007/s1178-022-1536-5

文章出版:Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 53

原文信息

题目:

Wastewater treatment meets artificial photosynthesis: Solar to green fuel production, water remediation and carbon emission reduction

作者:

Zhida Li, Lu Lu ()

作者单位:

Harbin Institute of Technology, Shenzhen, China

通讯作者邮箱:

lulu@hit.edu.cn

关键词:

Wastewater treatment (废水处理),

Artificial photosynthesis (人工光合作用),

Microbial photoelectrochemical (MPEC) system (微生物光电化学系统),

Carbon neutral (碳中和),

Renewable energy (可再生能源)

文章亮点

• 降低能源利用和碳排放是废水处理的迫切需要;

• MPEC集成了太阳能储存和废水有机物去除;

• 能源自我维持的MPEC可以减轻化石碳的排放;

• MPEC能够利用可再生能源将二氧化碳转化为可储存的碳燃料;

• MPEC将通过采用一种新型的氧化反应来激发光电化学反应。

文章简介

温室气体(GHG)排放与全球气候变化之间的联系激发了世界范围内寻找可持续发展模式的兴趣。目前,废水处理(WWT)是一种能源密集和重碳排放工业。发展碳中和的WWT方法是非常必要的。作为最大的发展中国家,中国占全球二氧化碳总排放量的28%,并在2020年承诺,其碳排放量将努力在2030年达到峰值,到2060年达到碳中和。为了实现“双碳”目标,中国几乎所有与碳排放相关的产业在政策和技术上都在发生范式转变。而碳中和的WWT在中国仍处于孵化阶段,但正成为一个热门话题。在收集废水中储存的能源的同时,寻找化石燃料的清洁替代品,是进入WWT的碳中和阶段的一条有效途径。

太阳能被认为是解决能源危机和气候变化的最终解决方案之一。然而,它的间歇性使其对满足人类24小时的能源需求具有挑战性。虽然通过传统的人工光合作用(APS)将太阳能转换为可储存的燃料可以解决上述问题,但大多数实际的APS情况仍然需要外部电压输入。微生物光电化学(MPEC)系统是一种新兴的混合APS,它将微生物电化学氧化和光电化学还原相结合,由于其在解决环境和能源问题方面的潜力而受到越来越多的关注。

本综述强调了在WWT期间实现能源回收对实现碳中和目标的意义,阐明了MPEC的工作原理及其与传统APS相比的优势,并讨论了其在实现能源自维持WWT、碳捕获和太阳能燃料生产方面的潜力,同时提供了一种利用废水中几种常见有机物分析MPEC中的能量和碳通量来判断碳利润的策略。

实际应用MPEC系统仍存在一些挑战:如微生物和阳极界面上的缓慢电子转移动力学,由于内阻而造成的能量损失,以及半导体的长期稳定性,需要进一步研究克服。作者认为MPEC将在解决能源和环境问题发挥更大的作用。

图1 文章摘要图

编委点评

目前的废水处理(WWT)是能源密集型的,并导致大量的二氧化碳排放。在中国“双碳”目标的大背景下,将微生物电化学WWT与人工光合作用(APS)相结合的混合微生物光电化学(MPEC)系统成为一种同时解决水-能-碳挑战的很有前途的方法。本综述明确了MPEC的现实意义和优势,讨论了其在实现绿色燃料生产及碳减排方面的潜力,并提供一种判断碳利润的策略。本综述能帮助读者更充分的了解MPEC的应用需求与前景。

编者 | 徐双

点评 | 李阳

致 谢

李阳,北京师范大学环境学院教授,中国科协“青年人才托举工程”入选者,FESE青年编委。研究方向为水中新污染物的迁移转化,主持重点研发计划课题和国家自然科学基金面上项目等8项,在ACS nano, Environ. Sci. Technol. 和Water Res.等杂志发表SCI论文70余篇。ESI高被引论文7篇。个人主页:

http://envfaculty.bnu.edu.cn/Public/htm/news/5/15.html

徐双,女,27岁,北京师范大学环境学院2021级环境科学专业博士生,导师为李阳教授,研究方向为纳米材料的迁移转化与生态效应。

摘要

Current wastewater treatment (WWT) is energy-intensive and leads to vast CO2 emissions. Chinese pledge of “double carbon” target encourages a paradigm shift from fossil fuels use to renewable energy harvesting during WWT. In this context, hybrid microbial photoelectrochemical (MPEC) system integrating microbial electrochemical WWT with artificial photosynthesis (APS) emerges as a promising approach to tackle water-energy-carbon challenges simultaneously. Herein, we emphasized the significance to implement energy recovery during WWT for achieving the carbon neutrality goal. Then, we elucidated the working principle of MPEC and its advantages compared with conventional APS, and discussed its potential in fulfilling energy self-sustaining WWT, carbon capture and solar fuel production. Finally, we provided a strategy to judge the carbon profit by analysis of energy and carbon fluxes in a MPEC using several common organics in wastewater. Overall, MPEC provides an alternative of WWT approach to assist carbon-neutral goal, and simultaneously achieves solar harvesting, conversion and storage.

期刊简介

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

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