【《碳基材料对污染物厌氧转化的影响研究国内外文献综述》4200字】

1绪论碳基材料对污染物厌氧转化的影响研究国内外文献综述1.1碳基材料的应用近年来，碳基材料由于比表面积大,吸、脱附速度高,导电性好等优点被应用于环境污染治理中。碳基材料种类多样，有石墨烯、生物炭、碳纳米管、碳纤维、氧化石墨烯和富勒烯等。近几年,研究者们发现添加碳基材料,能够在一定程度上促进厌氧消化。Guo[95]等人探索了几种碳基材料（碳量子点（Carbondots,简称CDs）、乙炔黑、生物炭（水热炭、热解炭））会加快有机物料的厌氧消化，同时相比于未添加碳基材料的对照组,添加的这三种碳基材料均可富集分解纤维素的微生物。已经有研究发现生物炭、活性炭、氧化石墨烯(GO)和石墨烯等碳基材料可作为电子介质，增强难降解污染物的厌氧生物转化[96-98]。Xu[96]等人将花生壳置于350 °C条件下得到生物炭材料,。研究发现该生物炭材料铬(VI)吸附期间，可以作为电子供体和电子穿梭体将铬(VI)还原。同时在不同pH条件下，生物炭起到的作用不同。低pH值下，其更容易作为给电子体；高pH值则更有利于生物炭作为电子媒介体。生物炭能有效去除溶液中的Cr(VI)，Cr(VI)还原为Cr(III)，在强酸性(pH = 2)比弱酸性(pH = 4)更明显。生物炭对废水中Cr(VI)的有效去除机理：生物炭不仅可以通过吸附，还可以通过氧化还原反应对Cr的去除产生影响。Eduardo[97]等人首次报告了应用氧化石墨烯（GO）和部分还原GO（rGO）作为氧化还原介质（RM）可以促进顽固性碘化造影剂碘普罗胺(IOP)的生物转化。结果表明，在产甲烷条件下，氧化石墨烯加快IOP生物转化提高了5.5倍；同时在硫酸盐还原条件下，氧化石墨烯加快了厌氧污泥生物转化提高了2.8倍。研究表明，GO的还原程度与其氧化还原能力之间存在相关性，这反映在IOP的快速去除和更大程度的生物转化上。基于GO的材料可以战略性地定制并整合到生物处理系统中，以有效地提高废水处理系统和工业废水中常见的顽固性污染物的氧化还原转化。Pereia[98]等人研究了微孔热处理AC(H2)、中孔碳干凝胶(CXA、CXB)和碳纳米管(CNT)对偶氮染料和纺织废水的生物降解性能。使用所有的碳材料，可以去除约85%的媒染黄10(MY10)和70%的活性红120(RR120)。酸性橙10(AO10)在没有碳材料的情况下不能被生物降解，但CXB和CNT的去除率达到98%。高效液相色谱分析证实了染料的还原，并形成相应的芳香胺。研究了碳纳米管在纺织废水生物处理中的作用。结果表明，碳材料的存在提高了污染物的还原。此外，碳材料的存在是染料AO10生物降解的一个必要条件。所选择的碳材料的孔径对染料脱色起着关键作用，具有较大孔径的碳材料的效率更高在这些材料中，氧化石墨烯和石墨烯表现出更好的电子转移性能，优于其他碳基材料。Riry[99]等人研究了活性炭作为人工湿地基质对4种新型内分泌干扰物(EDCs)的去除效果，即BPA、BPF、BPS和4-叔丁基苯酚(4-叔丁基苯酚)。实验证明了活性炭的加入能够立即且持续地去除所有四种污染物质(98-100%)，加入活性炭的实验组对污染物的去除效果显著高于空白组，由此可以只到活性炭对于高效稳定去除污染物发挥着重要的作用。实验结束后，活性炭中未检测到BPA和BPF，仅检测到少量的BPS和4-叔丁基苯酚。此外，加入活性炭后体系的细菌数量比空白组细菌数量多1-2个数量级。因此，在实验体系中，EDCs最初被吸附到活性炭上，在活性炭上，EDCs可以被高菌群有效降解。因此，主要机理概括为两步过程：EDC最初被吸附在活性炭上，随后被活性炭上的高细菌群降解。因此，使用活性炭作为连续水介质的组成部分应该有助于去除BPA、BPF、BPS和4-叔丁基苯酚。为碳基材料对于双酚类物质的去除提供了新的研究方向。1.2氧化石墨烯和石墨烯的应用在这些碳基材料中，GO和石墨烯由于其活性更多应用于污染物的去除。近年来GO作为一种新型纳米材料，因其独特的性能如机械强度、高比表面积、快速电子转移能力和非凡的催化活性常被用于环境污染物的去除。氧化石墨烯可以通过化学还原法和热还原法来合成。在氧化石墨烯上分布着羟基、环氧基、羧基和羰基等官能团。其中含氧官能团大量存在，如羰基、羧基。在这些官能团的作用下，GO具有吸附性能、催化性能和氧化性能，可以用于废水净化，去除二价铜、二价锌、六价铂、二价铅等重金属，清除萘，阿司匹林，和染料等有机污染物。石墨烯(Graphene)作为一种新型二维碳纳米材料，是碳原子通过sp²杂化形成的六角蜂巢晶格。通过机械剥离、电弧放电、化学氧化还原法、液相剥离、电化学法等方法可以来制备石墨烯。化学氧化还原法是实现规模化生产石墨烯最有效的方法之一。石墨烯作为一种导电率高、比表面积大、化学稳定性强的新型二维碳材料,，在移动设备、航空航天、新能源电池等领域均发挥着作用。石墨烯具有氧化性、还原性、稳定性和生物相容性。石墨烯基纳米材料在材料科学、化学工程和环境科学等领域受到越来越多的关注。近年来，石墨烯及其衍生物(如氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等)因其独特的性能而被认为是水污染治理中极具前景的功能材料。近年来，石墨烯基复合材料的研究不断深入，使其在水处理领域的应用范围不断扩大。在水污染物处理中的应用进展，包括其作为吸附剂、光催化剂、电催化中的氧化剂和氧化剂(如H2O2、过氧一硫酸盐)活化剂等。氧化石墨烯石墨烯图1.3氧化石墨烯和石墨烯结构示意图Figure1.3Schematicdiagramofgrapheneoxideandgraphene在厌氧情况下，氧化石墨烯可以加速体系内污染的降解。Colunga等ADDINNE.Ref.{C002D862-27F9-4E53-8339-3EFAC22AD211}[100]人第一次发现外加氧化石墨烯加速了偶氮染料活性红2(0.5mM)，3-氯硝基苯（0.5mM）的脱色，在该过程中GO承担电子穿梭体的角色。在产甲烷的条件下氧化石墨烯对活性红2的脱色速率提高了2倍，在硫酸盐还原条件下提高了3.6倍的脱色速率。氧化石墨烯的深度表征表明，氧化还原电位(+50.8mV)能够促进RR2和3CNB的还原，氧化石墨烯粒径分布适宜(主要在450~700nm之间)。最后文章指出氧化石墨烯能够作为电子穿梭体促进难降解污染物的去除。Li等[101]人采用不同的电子供体研究还原氧化石墨烯与厌氧微生物之间的相互作用。通过实验发现氧化还原石墨烯可以利用葡萄糖加快硝基苯的降解。进一步阐明了氧化还原石墨烯表面性质对生物脱除硝基芳烃的影响。还原氧化石墨烯表面醌基等氧原子的选择性消除降低了硝基苯的转化率，而氮掺杂在还原氧化石墨烯的结构中则具有积极的作用。研究表明，在石墨烯基碳纳米材料的作用下硝基芳香族化合物的生物转化加快，通过对石墨烯纳米碳材料的表面进行修饰，提高了材料的功能，从而提高了污染物的降解速率。到目前为止，石墨烯作为导电材料用于煤气化废水共消化厌氧处理的报道并不多。煤气化废水（CGW）含有高浓度的酚类物质，导致其厌氧生物降解性和资源利用率低。Li等人[102]提出了在共消化条件下利用石墨烯提高煤气化废水中苯酚类物质的厌氧降解的新见解，通过批量试验，发现石墨烯和葡萄糖的最佳添加量分别为10g/L和COD葡萄糖为2000mg/L。长期运行获得了更高的苯酚去除率和甲烷生产性能。COD和TP的去除率分别稳定在70%左右。通过微生物群落结构分析表明苯酚的去除与主要微生物区系有关。在厌氧反应中，菌群利用葡萄糖作为辅助底物，通过石墨烯传递电子石墨烯加强了微生物类群的种间电子转移，从而提高了苯酚去除率和甲烷的产量。研究结果为实际工程应用中煤气化废水的高效厌氧降解提供了理论依据。Song等人[103]考虑在石油的厌氧降解过程中微生物群落对纳米材料的响应，发现氧化石墨烯和石墨烯的加入促进了石油烃降解厌氧培养体系的电化学活性，促进了石油烃的厌氧降解。氧化石墨烯(0.02mg/L)和生物炭(20mg/L)孵育10周后，苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEXs)的最大降解率分别为76.5%和77.6%。氧化石墨烯(2mg/L)和生物炭(100mg/L)孵育10周，正构烷烃的最大降解率分别为70.0%和77.8%。同时氧化石墨烯和石墨烯的培养时间对微生物群落结构影响较大。通过以上可知氧化石墨烯和石墨烯可通过增强种间电子转移和细胞电化学活性来加速苯酚和石油烃的降解。由此可知在氧化石墨烯或者石墨烯介导的体系中，氧化石墨烯中的羰基可以通过增强微生物向污染物的电子转移来介导污染物的去除。生物还原氧化石墨烯(rGO)和高导电性石墨烯也可促进污染物[97]生物还原过程中的电子转移。1.3氧化石墨烯和石墨烯对细胞生长的影响最近的一项研究表明，石墨烯的加入并不会影响细胞形态和破坏微生物的生存能力，却能促进碳源的代谢，促进电子的生成、转移和消耗，促进关键酶的活性，促进反硝化菌的生长，同时可以促进反硝化作用，增强乙酸盐作为电子供体[104]的去除。在硝酸盐还原条件下，石墨烯和氧化石墨烯介导的BPF等电子供体的强化去除机制有待进一步揭示。Guo等[105]人发现氧化石墨烯和还原氧化石墨烯在LB培养基中对细菌生长、生物膜形成和发育的影响完全不同。即使浓度为500mg/L，氧化石墨烯也能显著促进细胞生长和生物膜的形成。相比之下，rGO(>=50mg/L)能显著抑制细胞生长和生物膜形成。而50mg/L和100mg/L还原氧化石墨烯的抑制作用在成熟阶段(>24h)减弱，在48h时消除。XPS结果表明还原氧化石墨烯氧化成氧化石墨烯，氧化石墨烯能促进细菌生长。还原氧化石墨烯对生物膜的毒性在细菌生物膜成熟阶段被消除。氧化石墨烯相比氧化还原石墨烯可以促进细胞的生长，在于其可以吸附更多的蛋白质。Chen等[106]在细菌培养基中，氧化石墨烯薄片能够形成有效的厌氧膜支架，增强了肠道菌群对病原菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的拮抗活性。通过细菌生长测量、菌落计数和16SrRNA基因测序获得的数据一致表明，氧化石墨烯薄片促进了肠道细菌的增殖。扫描电子显微镜、原子力显微镜图像和膜电位测量显示，氧化石墨烯与氧化石墨烯薄片相互作用后，细胞膜保持完整，细胞形态没有明显变化，这表明氧化石墨烯具有良好的生物相容性。由此可以知道氧化石墨烯薄片具有良好的生物相容性和较低的细胞毒性。可见氧化石墨烯相比石墨烯可以作为很好的材料促进细胞的生长。参考文献[1]我国将大力推动“新塑料经济”发展[J].塑料科技,2017,45(01):88.[2]塑料产业成为国民经济的一个重要门类[J].塑料科技,2011,39(07):75.[3]塑料助剂为塑料工业的发展奠基[J].塑料科技,2015,43(11):90.[4] Berge’A,Cladie’reM,GasperiJ,etal.Meta-analysisofenvironmentalcontaminationbyphthalates[J].EnvironSciPollutRes,2013,20(11):8057-8076.[5]GalloFrederic,FossiCristina,WeberRoland,SantilloDavid,SousaJoao,IngramImogen,NadalAngel,RomanoDolores.Marinelitterplasticsandmicroplasticsandtheirtoxicchemicalscomponents:theneedforurgentpreventivemeasures.[J].EnvironmentalsciencesEurope,2018,30(1).[6]JustineMathieu-Denoncourt,SarahJ.Wallace,ShaneR.deSolla,ValerieS.Langlois.Plasticizerendocrinedisruption:Highlightingdevelopmentalandreproductiveeffectsinmammalsandnon-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