基于石墨烯的生物电化学系统，用于无氯水消毒和土壤污染物解毒

《Microchemical Journal》：Graphene-based bioelectrochemical systems for chlorine-free water disinfection and soil pollutant detoxification

基于氮掺杂还原石墨烯海绵电极的双介质生物电化学修复技术，实现无氯水处理（5-log大肠杆菌灭活）和土壤多环芳烃（PAHs）深度降解（75%）及铅固定，系统具备高导电性（NRGO）与微生物协同效应，符合绿色化学与循环经济原则。

　　近年来，随着全球城市化和工业化的不断推进，土壤和自然水体受到了越来越多的污染，尤其是持久性污染物如多环芳烃（PAHs）和致病微生物的扩散。这些污染物不仅对生态环境构成威胁，还可能通过食物链影响人类健康。因此，寻找一种高效、环保的污染治理方法成为科研人员关注的重点。传统污染治理技术通常需要大量的能源和化学品，同时可能产生二次污染物，如氯化物和 perchlorates，这些物质不仅对环境有害，还可能对人体造成潜在风险。为了克服这些局限，本研究提出了一种基于氮掺杂还原氧化石墨烯（NRGO）海绵电极的集成式生物电化学系统（BES），以实现对水和土壤的同步净化。

在水处理方面，NRGO电极表现出卓越的性能。实验数据显示，在电流密度为115 A/m2的条件下，NRGO阳极能够实现对大肠杆菌（E. coli）的完全灭活，即达到5个对数的去除率。这一效果主要归因于电极的电吸附和电穿孔机制，而无需使用任何化学添加剂，从而避免了氯化物等有害副产物的生成。这种技术不仅提高了水处理的效率，还显著降低了对环境的负面影响，符合绿色化学和循环经济的核心理念。

在土壤修复方面，NRGO电极同样展现出良好的应用前景。通过将电极嵌入土壤柱中，研究人员发现其能够有效促进微生物的胞外电子传递，并提高污染物的吸附能力。实验结果表明，在20天内，土壤柱中PAHs的去除率达到了75%，同时铅（Pb）的固定率超过32%。这一成果不仅证明了NRGO电极在土壤修复中的有效性，还为实际应用提供了科学依据。与以往仅针对单一介质的纳米材料修复技术不同，本研究提出了一种适用于水和土壤的双重功能生物电化学系统，实现了对两种介质的同步治理，且在能耗和环境影响方面表现出显著优势。

本研究的核心创新在于将NRGO海绵电极整合到BES中，从而构建了一个兼具水处理和土壤修复功能的绿色技术平台。这一平台不仅能够高效地去除污染物，还能够在减少化学使用和能耗的同时，实现资源的循环利用和环境的可持续发展。通过这种方式，BES为实现长期的环境修复目标提供了一种可行的解决方案，同时也为推动绿色化学和循环经济的发展提供了新的思路。

在具体实施过程中，研究人员首先对NRGO海绵电极进行了制备和表征，包括X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，以评估其结晶性、缺陷和掺杂情况。这些分析结果显示，NRGO海绵电极具有优异的比表面积和导电性，能够为微生物提供良好的生长环境，从而促进电子传递效率的提升。随后，研究人员将NRGO电极应用于BES系统中，通过构建阳极和阴极反应室，并使用离子交换膜进行分隔，实现了对污染物的高效处理。在水处理系统中，厌氧反应室中的微生物通过氧化有机污染物产生质子和电子，电子通过外部电路传输至阴极，完成还原反应并产生电能。在土壤处理系统中，类似的机制被应用于土壤柱中，通过微生物的活动和NRGO电极的物理特性，实现了对污染物的同步去除。

此外，本研究还强调了绿色修复技术的综合性和系统性。在设计和实施修复方案时，研究人员不仅关注污染物的去除效果，还综合考虑了能源消耗、温室气体排放、废弃物产生以及对土地、水体和空气的潜在影响。这种全面的评估方法确保了修复方案的环境友好性，同时也为实现长期的生态效益提供了保障。通过将绿色修复理念融入到整个技术流程中，研究人员希望能够为污染治理领域提供一种更加可持续、生态友好的解决方案。

在实验验证方面，研究人员通过一系列水处理和土壤处理实验，对NRGO海绵电极的性能进行了详细评估。实验结果显示，与传统的纳米材料修复技术相比，NRGO海绵电极在去除污染物方面表现出更高的效率和更低的能耗。同时，实验还表明，NRGO海绵电极能够有效避免有害副产物的生成，这在传统的电化学处理过程中是一个较为常见的问题。通过这种方式，研究人员希望能够为实际应用提供一个更加安全、高效的解决方案。

在实际应用中，绿色修复技术需要结合可再生能源的使用，如太阳能和风能，以减少对化石燃料的依赖。此外，绿色修复还强调资源的循环利用和废弃物的最小化，这与循环经济的核心理念相一致。通过将这些理念融入到修复方案的设计中，研究人员希望能够为实现可持续的环境修复目标提供支持。同时，绿色修复技术还需要考虑到社会和经济因素，如修复成本、技术可推广性以及对当地社区的影响，以确保其在实际应用中的可行性。

在结论部分，研究人员指出，NRGO海绵电极作为一种新型的绿色修复材料，具有广阔的应用前景。通过将其整合到BES系统中，研究人员不仅实现了对水和土壤的同步治理，还显著降低了对环境的负面影响。这一成果为实现可持续的环境修复目标提供了新的思路和技术支持，同时也为推动绿色化学和循环经济的发展做出了贡献。在未来的研究中，研究人员希望能够进一步优化NRGO海绵电极的性能，并探索其在更大规模环境修复中的应用潜力。

总之，本研究通过引入氮掺杂还原氧化石墨烯海绵电极，构建了一个高效的绿色修复技术平台，能够实现对水和土壤的同步治理。这一平台不仅在去除污染物方面表现出卓越的性能，还在减少能耗和环境影响方面具有显著优势。通过这种方式，研究人员希望能够为环境治理领域提供一种更加可持续、生态友好的解决方案，同时也为推动绿色化学和循环经济的发展做出贡献。