FESE | 前沿研究：廢水處理遇上人工光合作用：從太陽(yáng)能到綠色燃料生產(chǎn)、水修復(fù)及碳減排—論文—科學(xué)網(wǎng)
| FESE | 前沿研究：廢水處理遇上人工光合作用：從太陽(yáng)能到綠色燃料生產(chǎn)、水修復(fù)及碳減排 |
論文標(biāo)題：Wastewater treatment meets artificial photosynthesis: Solar to green fuel production, water remediation and carbon emission reduction（廢水處理遇上人工光合作用：從太陽(yáng)能到綠色燃料生產(chǎn)、水修復(fù)及碳減排)
期刊：Frontiers of Environmental Science & Engineering
作者：Zhida Li, Lu Lu
發(fā)表時(shí)間：26 Jan 2022
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文章出版：Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 53
原文信息
題目：
作者：
Zhida Li, Lu Lu ()
作者單位：
Harbin Institute of Technology, Shenzhen, China
通訊作者郵箱：
lulu@hit.edu.cn
關(guān)鍵詞：
Wastewater treatment (廢水處理)，
Artificial photosynthesis (人工光合作用)，
Microbial photoelectrochemical (MPEC) system (微生物光電化學(xué)系統(tǒng))，
Carbon neutral (碳中和)，
Renewable energy (可再生能源)
文章亮點(diǎn)
• 降低能源利用和碳排放是廢水處理的迫切需要；
• MPEC集成了太陽(yáng)能儲(chǔ)存和廢水有機(jī)物去除；
• 能源自我維持的MPEC可以減輕化石碳的排放；
• MPEC能夠利用可再生能源將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的碳燃料；
• MPEC將通過(guò)采用一種新型的氧化反應(yīng)來(lái)激發(fā)光電化學(xué)反應(yīng)。
文章簡(jiǎn)介
溫室氣體(GHG)排放與全球氣候變化之間的聯(lián)系激發(fā)了世界范圍內(nèi)尋找可持續(xù)發(fā)展模式的興趣。目前，廢水處理(WWT)是一種能源密集和重碳排放工業(yè)。發(fā)展碳中和的WWT方法是非常必要的。作為最大的發(fā)展中國(guó)家，中國(guó)占全球二氧化碳總排放量的28%，并在2020年承諾，其碳排放量將努力在2030年達(dá)到峰值，到2060年達(dá)到碳中和。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，中國(guó)幾乎所有與碳排放相關(guān)的產(chǎn)業(yè)在政策和技術(shù)上都在發(fā)生范式轉(zhuǎn)變。而碳中和的WWT在中國(guó)仍處于孵化階段，但正成為一個(gè)熱門話題。在收集廢水中儲(chǔ)存的能源的同時(shí)，尋找化石燃料的清潔替代品，是進(jìn)入WWT的碳中和階段的一條有效途徑。
太陽(yáng)能被認(rèn)為是解決能源危機(jī)和氣候變化的最終解決方案之一。然而，它的間歇性使其對(duì)滿足人類24小時(shí)的能源需求具有挑戰(zhàn)性。雖然通過(guò)傳統(tǒng)的人工光合作用(APS)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為可儲(chǔ)存的燃料可以解決上述問(wèn)題，但大多數(shù)實(shí)際的APS情況仍然需要外部電壓輸入。微生物光電化學(xué)(MPEC)系統(tǒng)是一種新興的混合APS，它將微生物電化學(xué)氧化和光電化學(xué)還原相結(jié)合，由于其在解決環(huán)境和能源問(wèn)題方面的潛力而受到越來(lái)越多的關(guān)注。
本綜述強(qiáng)調(diào)了在WWT期間實(shí)現(xiàn)能源回收對(duì)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的意義，闡明了MPEC的工作原理及其與傳統(tǒng)APS相比的優(yōu)勢(shì)，并討論了其在實(shí)現(xiàn)能源自維持WWT、碳捕獲和太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)方面的潛力，同時(shí)提供了一種利用廢水中幾種常見(jiàn)有機(jī)物分析MPEC中的能量和碳通量來(lái)判斷碳利潤(rùn)的策略。
實(shí)際應(yīng)用MPEC系統(tǒng)仍存在一些挑戰(zhàn)：如微生物和陽(yáng)極界面上的緩慢電子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)，由于內(nèi)阻而造成的能量損失，以及半導(dǎo)體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要進(jìn)一步研究克服。作者認(rèn)為MPEC將在解決能源和環(huán)境問(wèn)題發(fā)揮更大的作用。
圖1 文章摘要圖
編委點(diǎn)評(píng)
目前的廢水處理(WWT)是能源密集型的，并導(dǎo)致大量的二氧化碳排放。在中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的大背景下，將微生物電化學(xué)WWT與人工光合作用(APS)相結(jié)合的混合微生物光電化學(xué)(MPEC)系統(tǒng)成為一種同時(shí)解決水-能-碳挑戰(zhàn)的很有前途的方法。本綜述明確了MPEC的現(xiàn)實(shí)意義和優(yōu)勢(shì)，討論了其在實(shí)現(xiàn)綠色燃料生產(chǎn)及碳減排方面的潛力，并提供一種判斷碳利潤(rùn)的策略。本綜述能幫助讀者更充分的了解MPEC的應(yīng)用需求與前景。
編者 | 徐雙
點(diǎn)評(píng) | 李陽(yáng)
致 謝
李陽(yáng)，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院教授，中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”入選者，F(xiàn)ESE青年編委。研究方向?yàn)樗行挛廴疚锏倪w移轉(zhuǎn)化，主持重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題和國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等8項(xiàng)，在ACS nano, Environ. Sci. Technol. 和Water Res.等雜志發(fā)表SCI論文70余篇。ESI高被引論文7篇。個(gè)人主頁(yè)：
徐雙，女，27歲，北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院2021級(jí)環(huán)境科學(xué)專業(yè)博士生，導(dǎo)師為李陽(yáng)教授，研究方向?yàn)榧{米材料的遷移轉(zhuǎn)化與生態(tài)效應(yīng)。
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.
期刊簡(jiǎn)介
《前沿》系列英文學(xué)術(shù)期刊
由教育部主管、高等教育出版社主辦的《前沿》（Frontiers）系列英文學(xué)術(shù)期刊，于2006年正式創(chuàng)刊，以網(wǎng)絡(luò)版和印刷版向全球發(fā)行。系列期刊包括基礎(chǔ)科學(xué)、生命科學(xué)、工程技術(shù)和人文社會(huì)科學(xué)四個(gè)主題，是我國(guó)覆蓋學(xué)科最廣泛的英文學(xué)術(shù)期刊群，其中13種被SCI收錄，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相應(yīng)學(xué)科國(guó)際權(quán)威檢索系統(tǒng)收錄，具有一定的國(guó)際學(xué)術(shù)影響力。系列期刊采用在線優(yōu)先出版方式，保證文章以最快速度發(fā)表。
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