基于摩擦纳米发电机的自驱动污水处理研究新进展

AEMwangzhonglin水,是生命之源,是地球生物赖以生存的基础。然而随着工业的快速发展,水污染日益加重,严重威胁了人类的健康。为了避免最后一滴洁净的水成为人类最后一滴眼泪的悲剧,科学家们在水污染治理方面进行了很大的努力,也取得了卓越的成果。但是,由于污染水体的大规模性、污染物的复杂多样性、难降解物的顽固性,要发展一种高效节能、绿色环保的处理方法仍然是一个巨大的挑战。

目前,针对污水处理高耗能以及持续性等问题的研究工作很少,主要集中在微生物燃料电池领域。摩擦纳米发电机作为一种清洁的能源发电形式,能够收集风能、水能、振动能等并将其转化为可利用的电能。然而,污水本身蕴含有大量的流动能和势能,却鲜有人加以利用。

将摩擦发电机有效地和污水处理方法结合,实现高效节能、低成本且绿色环保的自驱动污水处理有几个关键性问题需要考虑:(1)如何使摩擦纳米发电机高效利用污水的动能或势能;(2)如何提高摩擦纳米发电机的输出以满足电化学反应需求;(3)摩擦纳米发电机的脉冲式输出和常规电能输出对污水处理有何不同;(4)采用何种高效率低成本的电化学法处理污水。针对这些问题,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林研究团队和北京科技大学曹霞课题组合作提出了一种基于旋转式摩擦纳米发电机的低成本零能耗的自驱动污水处理系统。该系统将旋转式摩擦纳米发电机的栅格进行精细化处理,以提高输出,然后和水轮结合,利用污水的流动能发电,并且采用一种可循环的高级氧化技术来降解污染物,成本低且处理效率高,对常规电能的消耗几乎为零。结果表明,当TENG的转速达到600 rpm时,系统可以在15分钟内除去100%的罗丹明B(初始浓度在100 ppm以下),可以在3小时内除去97.3%的Cu2+(初始浓度为150 ppm)。和直流电进行污水处理相比,在消耗相同的能量下,摩擦纳米发电机的脉冲式电输出方式对污水的处理效果更好。该污水处理系统不仅对Cu2+和罗丹明B的处理效果显著而且还可以用于电镀行业,例如电镀铜。并且用TENG的脉冲式电输出进行电镀铜时,沉积的铜颗粒要比用直流电沉积的铜颗粒更致密均一、粒度更小。

这种基于摩擦纳米发电机的自驱动污水处理系统,能够极大的减少水污染治理对常规能源的消耗,成本低,为污水处理行业带来了福音。随着自驱动污水处理系统的进一步优化和完善,未来将有望实现“用环境自身的能量来治理环境本身”的愿景,从而极大改善地球生态环境。相关结果发表在 Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201501778)上。