论文题目：基于g-C<sub>3</sub>N<sub>4</sub>/CdS异质结光阴极的生物光电化学系统降解呋喃西林的性能及机理研究
摘要：随着抗生素大量使用于人与动物的疾病治疗,环境中频繁检测出残留的多种抗生素,其对人类具有潜在的致癌、致畸、致突变等威胁,因此,有效去除水环境中的抗生素尤为重要。本研究以g-C3N4/Cd S异质结光阴极的制备与优化为基础,构建基于生物阳极与光阴极的生物光电化学系统（BPES）,旨在高效去除废水中的抗生素（以呋喃西林（NFZ）为例）。主要的研究内容包括:对g-C3N4/Cd S及对应光阴极的理化性质和光电化学性质进行了表征与测试;对BPES降解NFZ的性能进行了考察,同时对NFZ降解过程中的中间产物进行了鉴定,并结合微生物群落结构,推断了NFZ的降解路径和机理;此外,还对BPES系统进行了优化（包括光催化剂负载量的优化和NFZ初始浓度的优化）以及稳定性测试。主要结论如下:（1）g-C3N4的初步优化结果显示,煅烧时间为2h的样品具有最优的光吸收性能以及光生e--h+对分离效率,因此以最优的g-C3N4与Cd S复合制备g-C3N4/Cd S异质结光催化剂（g-C3N4与Cd S的质量比分别为1:9、5:5、7:3）。同时,分别制备g-C3N4光阴极、Cd S光阴极和g-C3N4/Cd S光阴极。UV-vis DRS、PL、以及光催化降解NFZ实验共同表明,g-C3N4/Cd S（1:9）异质结光催化剂具有最好的光吸收性能与光催化活性。EIS、LSV和i-t等电化学测试结果显示,g-C3N4/Cd S（1:9）光阴极具有最优的光电化学性能;在基于生物阳极和光阴极的BPES中,通过逐步添加NFZ可以驯化电活性微生物对NFZ的适应能力,BPES具有周期重复性的稳定电流输出;（2）在基于g-C3N4光阴极、Cd S光阴极和g-C3N4/Cd S光阴极的BPES中,基于g-C3N4/Cd S（1:9）光阴极的BPES对NFZ的去除效率最优,在4h内对NFZ的去除率达到83.1%,远高于单一的微生物降解（40.6%）、单一的电催化降解（4.3%）和单一的光催化降解（7.7%）,表现出明显的协同效应。而且,最优的BPES的总有机碳（TOC）去除率为～90%,高于无光照的微生物电解池（MEC）体系（78%）。此外,其电流输出也高于其他光阴极的BPES。根据HPLC-MS检测的中间产物推断,本研究中NFZ降解的主要反应是硝基还原、C=N不饱和键还原以及C-N不饱和键和N-N键受到攻击,经过一系列的还原氧化过程,生成2个主要的直链产物,之后在电子或者空穴的作用下,最终被矿化成二氧化碳和水。在微生物群落的总体特征上,生物多样性顺序为样品A（污水处理厂出水）＞样品B（MEC阳极生物膜）＞样品C（BPES阳极生物膜）＞样品D（BPES阴极生物膜）;在门类分析级别上,Proteobacteria在四个样品中占比都是最多的,分别占比66.53%、71.89%、74.67%和57.31%,在属类水平上,样品A中以Pseudomnnas为优势菌,占比45.80%,而在样品B、样品C、样品D中的占比明显减少,分别为1.74%、2.92%和6.25%。另外,Geobacter是B、C、D样品中含量最高的细菌,分别为31.64%、67.73%和41.34%。四个样品中,以BPES阳极中电化学活性细菌占比最多,这是BPES富集和驯化电活性细菌的结果。（3）瞬态光电流响应、EIS及LSV等手段对不同光催化剂负载量（2.5mg/cm~2、5mg/cm~2、7.5mg/cm~2、10mg/cm~2）的光阴极的测试结果显示,光催化剂负载量为7.5mg/cm~2的光阴极的光电化学性能最优,其应用于BPES时具有最好的NFZ去除效率。当NFZ浓度为10mg/L～20mg/L时,BPES对NFZ去除率逐渐增加;继续增加NFZ浓度至50mg/L时,虽然去除率逐渐降低,但是去除效果均在85%以上。此外,BPES在连续运行5次之后,NFZ去除率仅下降约4%,且即使运行约40d后,BPES的输出电流仍能保持～8m A,表明光阴极和体系的稳定性较好。在没有外加电压,只有光照的情况下,SB-BPES可产生1m A的电流,证明该体系是光驱动的自偏压可持续体系;且TOC去除率可以达到63%,降解NFZ效果较好。
关键词：生物光电化学系统（BPES）;g-C3N4/CdS异质结光阴极;呋喃西林（NFZ）;降解路径;微生物群落结构
学科专业：环境工程硕士（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 抗生素的来源与危害
1.2 抗生素废水污染现状
1.3 抗生素废水处理技术研究进展
1.3.1 物化处理技术
1.3.2 生物处理技术
1.3.3 高级氧化处理技术
1.3.4 生物电化学系统(BES)处理抗生素废水的研究进展
1.4 生物光电化学系统处理废水研究进展
1.4.1 生物光电化学系统处理废水的性能研究
1.4.2 生物光电化学系统中光电极材料的研究
1.5 研究的目的、意义及内容
1.5.1 研究的目的及意义
1.5.2 研究的内容及创新点
1.5.3 研究的技术路线
第二章 实验材料与方法
2.1 实验试剂与仪器
2.2 光催化剂与光阴极的制备
2.2.1 光催化剂的制备
2.2.2 光阴极的制备
2.3 表征方法
2.3.1 物理表征
2.3.2 光电化学表征
2.4 反应器装置
2.5 分析与计算
2.5.1 禁带宽度
2.5.2 呋喃西林去除率
2.6 微生物群落分析
第三章 BPES的构建与启动
3.1 实验方案
3.1.1 营养液配方
3.1.2 反应器的启动
3.1.3 光催化降解呋喃西林
3.2 实验结果与讨论
3.2.1 g-C_3N_4的特性
3.2.2 g-C_3N_4/CdS复合催化剂的特性
3.2.3 反应器启动过程产电分析
3.3 小结
第四章 呋喃西林在BPES中的降解特性与机理研究
4.1 实验方案
4.2 结果与讨论
4.2.1 光阴极的特性
4.2.2 有无光照对NFZ去除率的影响
4.2.3 基于不同光阴极BPES对呋喃西林降解特性
4.2.4 不同降解过程对NFZ去除率的贡献量量化
4.2.5 TOC去除率与产电性能
4.2.6 降解路径与机理研究
4.2.7 微生物群落演变规律
4.3 小结
第五章 BPES降解呋喃西林的影响因素及稳定性
5.1 实验方案
5.2 结果与讨论
5.2.1 光阴极催化剂负载量的影响
5.2.2 NFZ初始浓度的影响
5.2.3 无外加电压的影响
5.2.4 BPES体系的稳定性评估
5.3 小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢