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废水处理面临的最大挑战是如何减少其对经济和环境的影响。在传统废水处理厂中，废水处理过程产生很大一部分能量被忽视和损失。摩擦纳米发电机（TENG）是一种从机械能到电能的能量转换装置，可广泛收集废水处理所产生的微尺度能源。这些微尺度能源与光电催化技术相结合，可开发出自驱动的氧化技术，能有效地提高废水处理过程中难降解污染物的去除效率。
图1. 污水处理厂能量采集与分类
近日，浙江工业大学董飞龙博士和广西大学聂双喜教授合作在《ACS Nano》杂志上以题为“Improving wastewater treatment by triboelectric-photo/electric coupling effect”发表了综述文章。该论文系统回顾了废水处理过程中不同阶段所产生的能量（如水波能、风能和声能），介绍了TENG在废水处理过程中对微尺度能源的不同收集方式，总结了TENG能量利用机理、TENG与光电催化结合原理、TENG能量采集器件、光电催化电极材料以及基于TENG的光电催化耦合应用，最后对该技术的未来应用提出了建议。
废水处理中水波能收集。TENG是一种低成本、轻量级的能源收集技术，能有效地收集低频范围内的水波能量。废水处理过程中收集水波能量的TENG类型包括基于固体−液体接触带电模式、流体动力学采集模式、复合工作模式和全封闭模式。
图2.（a）基于水波能收集的TENG原理图设计；（b）基于固体−液体接触带电的TENG；（c）基于流体动力学的TENG；（d）基于复合工作模式的TENG；（e）基于全封闭模式的TENG
废水处理中废气能收集：传统的风能发电机受到尺寸、质量、高安装成本、效率低的限制，在低风速和低排气量条件下难以驱动。相比之下，TENG因重量轻，结构简单，低成本的特点，可以收集废水处理曝气阶段产生的低风速废气能。
图3.（a）基于风能收集的TENG示意图；（b）基于涡轮机结构的TENG；（c）基于旗帜结构的TENG；（d）基于风杯结构的TENG；（e）基于颤振模式的TENG
自驱动电催化。废水处理采用各种技术（如化学氧化法、好氧颗粒污泥法、吸附、催化和生物降解等）处理BOD、COD和难降解有机污染物。催化技术因其高降解效率、节能和低二次污染而被认为具有较大应用前景。本文总结了TENG耦合电催化技术用于去除难降解有机污染物。通过设计合理的TENG，将可再生机械能转换为电能从而供给电催化所需电能，使传统的电催化技术成为自供电难降解物质处理系统。
图4.（a）弹簧辅助柔性TENG电催化性能；（b）柔性压片式TENG电催化性能；（c）旋转TENG电催化性能；（d）风驱动TENG电催化性能
自驱动光电催化技术：与光催化相比，光电催化增加了光生电子和空穴重组的难度。通过引入TENG技术，收集周围环境的机械能，将其转化为电能并传递到光电催化所需要的电极上，从而在两电极间附加一个电场，使得载流子通过导线，流向负极，降低光生电子和空穴复合的概率。该电辅助光催化过程可极大提升催化效率。本文介绍了多种不同形式的TENG耦合光电催化系统。
图5.（a）活塞驱动TENG的光电催化系统；（b）网格压片驱动TENG的光电催化系统；（c）风能驱动TENG的光电催化系统；（d）旋转TENG驱动的光电催化系统
自驱动光电催化与生物降解耦合。微生物处理技术具有成本低和易操作等优点，尤其是在污水处理过程中，生物处理技术对易降解的污染物具有很好的处理效果。TENG作为一种新型发电装置可将周边环境的机械能转换为一种高电压低电流的电能。我们设想，将TENG所产生的电能，运用到光催化耦合生物膜技术中，将TENG所产生的电能输送到光催化阴阳两极，使阴阳两极产生较大的电势差，当光照在阳极产生空穴和电子时，电子便会在较大电势差的条件下流向阴极，使得空穴与光生电子难以复合，这就将大大提高光催化的效能，进而为后续生物处理减轻负担，使得整个工艺在去除污染物效果得到提升。
图6. 自驱动光电催化和生物降解的耦合机理
结论与展望。TENG作为低成本低频能源获取的有效手段，在水处理领域有着广阔的应用前景，不仅可有效获取废水处理中的水波能，声能以及废气能，还可与水处理技术耦合实现污染物的高效去除。该技术未来可成为水处理过程中关键的组成部分，对水处理行业的改革创新以及世界水处理安全保障具有深远的影响。然而，有效改善TENG的能量收集和实现稳定的电力输出使自供电-电化学技术实现商业化仍是巨大挑战。
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原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c10755
来源：高分子科学前沿
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