国家自然科学基金重点项目
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城市污水中有机污染物的高效矿化协同资源化与能源化机制研究(51938007)
城市污水中有机污染物的高效矿化协同资源化与能源化机制研究简介
污染物有效去除并实现资源能源化是城市污水处理过程中急需解决的难题，也是当前环境研究领域的前沿和热点。然而已开发的大多数污水处理技术常以高能耗的污染物去除为核心，且仅关注水与氮磷回收，忽视了污水中丰富的碳资源和潜在的氢能与余热。尽管目前有厌氧消化产甲烷和微生物燃料电池产电等技术被报道用于碳资源和能源的回收，但其废水处理和资源/能源回收效率受污水环境影响较大，耗时长，且无法将碳转化为除甲烷之外的高附加值化工产品，亦未探索污水制氢等新型能源化路径。鉴于此，本项目以有机污染物高效矿化与同步资源/能源化为目标，以材料制备—原理探究—器件构建—与工艺开发为主线，提出了多维度创新技术体系：1）突破了传统污染物资源化效率低选择性差的瓶颈，创建了光催化有机污染物选择性转化为CO的碳资源回收新体系，揭示了缺陷诱导协同氧化-还原的新机制；2）打破了传统•OH无差别破络壁垒，开创了金属络合物靶向破络同步资源回收的新体系，首次提出了氧化、还原精准破络新方法；3）颠覆了农药废水高毒性难降解的认知传统，首创酸-碱两段式臭氧氧化预处理耦合生化高效处理农药废水实现脱毒和碳资源回收新方法；4）开拓了污染物精准性识别和催化剂空间结构与表界面结构调控新方法，提出了高效污染物降解同步产氢新策略；5）设计并开发了光电催化反应器及耦合工艺5套，实现了废水资源化处理和热量回收。以上研究成果发表SCI论文47篇，授权发明专利10项；培养博士/硕士44人，国家级人才7人，省级人才12人，全球高被引科学家3人；获省级以上科研奖项5项，各项指标均超额完成。本项目研究成果为实现城市污水资源能源全回收与碳中和目标提供理论和技术支撑。
代表性成果一：Defect-Induced Synergetic Effect of Bi-Based Compounds for One-Pot Conversion of Organic Pollutants into CO via Coupling Photodegradation of Carbamazepine with Photoreduction of CO2
代表性成果二：Carbon Nitride Supported High-Loading Fe Single-Atom Catalyst for Activation of Peroxymonosulfate to Generate 1O2 with 100% Selectivity
代表性成果三：Overcoming Electrostatic Interaction via Strong Complexation for Highly Selective Reduction of CN into N2
代表性成果四：Silver Single Atom in Carbon Nitride Catalyst for Highly Efficient Photocatalytic Hydrogen Evolution
代表性成果五：Controllable Pyridine N‑Oxidation−Nucleophilic Dechlorination Process for Enhanced Dechlorination of Chloropyridines: The Cooperation of HCO4− and HO2−
代表性成果六：Targeted Decomplexation of Metal Complexes for Efficient Metal Recovery by Ozone/Percarbonate
代表性成果七：Electron transfer mediated activation of periodate by contaminants to generate 1O2by charge-confined single-atom catalyst
代表性成果八：Mineralization of cyanides via a novel Electro-Fenton system generating •OH and •O2-