用于废水处理中能量自循环电化学系统的原位摩擦电纳米发电机

《Water Research》：In-situ triboelectric nanogenerator for energy self-cycling electrochemical systems in wastewater treatment

污水处理中结合冠流三电纳米发电机（C-TENG）与膜电容去离子化（MCDI）的自持系统，通过回收曝气池流体机械能驱动MCDI，实现磷去除率95%、多种金属离子去除率70%-80%，能耗降至0.26 kWh/m3，为低碳水处理提供新方案。

　　本研究提出了一种创新性的废水处理系统，该系统结合了冠状摩擦纳米发电机（C-TENG）和膜电容去离子（MCDI）技术，实现废水处理过程中的自供电和能量自循环。随着全球对营养中性化和净零目标的推进，水行业正在经历向更可持续的废水处理和资源回收方向的转变。传统废水处理厂（WWTPs）正被重新构想为资源回收中心，许多成功案例表明，这些设施可以实现能源自给自足。然而，当前的可持续能源策略主要依赖于废水中的有机成分所蕴含的生化能，这种能力建立在生物处理过程的基础上，因此在不同类型的废水中表现不一，往往需要额外的投资和对现有处理流程的重大调整。

废水处理过程中机械能的回收是一个尚未充分探索的领域。特别是在曝气池中，由于气液湍流和不规则表面扰动的存在，水流呈现出复杂的多相流动状态。尽管如此，曝气池仍然占据了整个废水处理厂总能耗的一半以上，这为机械能的回收提供了巨大的潜力。近期，摩擦纳米发电机（TENG）技术的发展为这一领域带来了新的希望。TENG能够通过摩擦起电和静电感应的耦合效应，实现高灵敏度、自供电的能量收集。这种技术已经被证明在海洋和湖泊等动态环境中可以有效收集能量，但其在废水处理厂中的应用仍受到水动力学条件差异的限制。废水处理厂的水流通常具有低振幅和弱波动的特点，因此需要开发能够适应这种环境的TENG设备，以确保其在机械和化学稳定性方面的能力，同时具备高能量转换效率和适应性输出控制。

本研究提出的C-TENG//MCDI系统旨在解决这一问题。通过设计一种低摩擦的C-TENG，该系统能够适应废水处理环境中低强度、低频率的水动力学条件。C-TENG由三个主要部分组成：3D打印的多孔空心球、18个TENG单元以及一个丙烯酸外壳。每个TENG单元内部填充了NaCl溶液，并通过硅胶塞密封，以确保气密性。铜带被包裹在管子周围，作为摩擦电极材料。为了测试系统的性能，使用了线性电机来驱动C-TENG在直线模式下运行。实验结果表明，该系统能够有效地将曝气诱导的气泡运动转化为径向、轴向和切向的运动，从而实现高效的能量收集。经过18小时的连续运行，系统的性能保持率达到了97%。

此外，该系统还结合了MCDI技术，以实现污染物的高效去除。MCDI利用离子交换膜（IEMs）进行选择性离子去除，同时增强电极的电容行为。在运行过程中，电极被充电以从进水流中提取离子，随后在再生阶段释放储存的能量。这种机制为TENG与MCDI之间的协同作用提供了可能性。然而，由于废水处理环境的特殊性，这种协同作用的实际表现仍需进一步探索。本研究通过模拟和实验验证，优化了系统的配置，使得单个18厘米直径的C-TENG单元能够实现足够的能量回收，从而支持后续MCDI单元对实际二级出水的处理。

实验结果表明，C-TENG//MCDI系统能够有效去除磷（去除率高达95%）以及多种金属离子（Fe3?、Ni2?、Cu2?、Cr3?、Cd2?和Pb2?的去除率在70%-80%之间）。同时，通过75%的能量回收效率，MCDI的能耗被降低至0.26 kWh/m3，这不仅实现了低能耗的离子去除，还支持了电能的储存和再利用。这一创新方法引入了一种可扩展且可持续的废水处理方案，将流体能量收集与电化学处理相结合，为现有废水基础设施的升级提供了一条可行的路径。

为了确保该系统的实际应用价值，本研究还对其废水处理性能进行了验证，使用了市政废水处理厂的实际二级出水作为测试样本。这不仅证明了系统的可行性，还为未来的工程应用奠定了基础。通过这种方式，该系统能够在不改变现有生物处理流程配置的前提下，实现能源的自给自足，同时提升污染物去除效率。此外，该系统还具有良好的稳定性和适应性，能够应对不同类型的废水处理条件，为实现更高效、更环保的废水处理提供了一种新的解决方案。

本研究的成果对于推动废水处理技术的创新具有重要意义。传统的废水处理方法往往依赖于外部能源供应，而本研究提出的系统则能够在处理过程中自我供电，减少对外部能源的依赖。这种自供电和能量自循环的特性不仅降低了运营成本，还减少了碳排放，有助于实现碳中和目标。同时，该系统还具备良好的可扩展性，可以应用于不同规模的废水处理设施，具有广泛的应用前景。

在实际应用中，该系统能够有效应对废水处理过程中存在的多种挑战。例如，由于废水中的污染物种类繁多，传统的处理方法可能无法高效去除所有污染物。而C-TENG//MCDI系统通过结合流体能量收集和电化学处理，能够实现对多种污染物的同步去除，包括营养物质、化学污染物和生物污染物。这种综合处理方法不仅提高了处理效率，还增强了系统的稳定性，使其能够在不同的水力条件下保持良好的性能。

此外，该系统还能够实现能量的储存和再利用。通过MCDI的再生阶段，系统可以释放储存的能量，用于后续的处理过程。这种能量循环机制不仅提高了系统的整体效率，还为废水处理厂提供了额外的能源来源，有助于实现能源的自给自足。在未来的废水处理设施中，这种能量自循环的特性将为实现可持续发展目标提供重要的技术支持。

本研究的创新点在于将TENG技术与MCDI技术相结合，形成一个自供电、自循环的废水处理系统。这种系统不仅能够有效收集和利用废水处理过程中的机械能，还能够实现对多种污染物的高效去除。通过模拟和实验验证，研究团队优化了系统的配置，确保其在实际应用中的可行性和有效性。实验结果表明，该系统能够在不改变现有处理流程的前提下，实现能量的自给自足，同时提升处理效率。

未来的研究方向可以包括进一步优化系统的能量转换效率，提高其在不同水力条件下的适应能力。此外，还可以探索该系统与其他废水处理技术的结合，以实现更全面的污染物去除和资源回收。随着技术的不断发展，这种自供电和能量自循环的废水处理系统有望成为未来废水处理设施的重要组成部分，为实现更高效、更环保的废水处理提供新的思路和方法。