微生物燃料電池產(chǎn)電性能及處理偶氮染料廢水研究.pdf

1、近年來興起和快速發(fā)展的微生物燃料電池(Microbial fuel cell，MFC)技術(shù)能直接利用廢水中多種有機(jī)物作為燃料，在降解污染物的同時(shí)直接收獲電能，是一種革命性的廢水處理工藝，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前限制MFC實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題就是輸出功率較低。在影響其功率輸出的諸多因素中，陽極因?yàn)橛绊懳⑸锏奈胶蜕L(zhǎng)代謝，以及電子從微生物到電極之間的傳遞而被認(rèn)為是一個(gè)關(guān)鍵因素。目前廣泛采用的商業(yè)化的碳基材料存在比表面積有限，電化

2、學(xué)活性較小等不利因素。利用能增加電極比表面積和促進(jìn)電子傳遞的某種電活性材料對(duì)碳材料表面進(jìn)行修飾是一種行之有效的解決方法。
　　本文從產(chǎn)電和廢水處理兩方面著手，探索借助陽極修飾的方法提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能的可行性;并以典型偶氮染料甲基橙為目標(biāo)污染物，考察甲基橙在MFC中的脫色效果及同步產(chǎn)電性能。論文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)用檸檬酸鹽還原氯金酸的方法制備粒徑約為20nm的金納米粒子。首次利用層層組裝技術(shù)將金納米粒子修飾到

3、碳紙電極表面，并利用紫外-可見光譜監(jiān)測(cè)了薄膜的規(guī)律生長(zhǎng)。循環(huán)伏安和電化學(xué)交流阻抗實(shí)驗(yàn)表明:納米金修飾碳紙電極較空白碳紙電極表現(xiàn)出更好的電化學(xué)行為，包括更大的電活性表面積，更快的電子轉(zhuǎn)移速率及更小的界面電子傳遞阻力。相比空白碳紙陽極組裝的MFC，利用納米金修飾碳紙陽極組裝的MFC達(dá)到最大輸出功率346mWm-2，提高了50％，啟動(dòng)時(shí)間為175h，縮短了36％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:層層組裝技術(shù)是將納米金修飾到碳紙電極上的一種簡(jiǎn)單有效的方法，而且利

4、用該修飾電極能夠有效提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能。
　　(2)利用化學(xué)還原氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)的方法制備并表征了石墨烯(Graphene，GR)。采用層層組裝技術(shù)將石墨烯修飾到碳紙電極表面，并探討該方法能否有效提高M(jìn)FC的電能輸出和對(duì)甲基橙的高效去除。循環(huán)伏安和電化學(xué)交流阻抗實(shí)驗(yàn)表明:石墨烯修飾碳紙電極較空白碳紙電極表現(xiàn)出更好的電化學(xué)行為。掃描電子顯微鏡結(jié)果顯示:修飾電極表面的粗糙度增加，有利于更多的細(xì)

5、菌附著在陽極表面。相比空白碳紙陽極組裝的MFC，利用石墨烯修飾電極作為陽極的MFC達(dá)到最大輸出功率368mWm-2，提高了51％，啟動(dòng)時(shí)間為180h，縮短了31％。陽極和陰極極化曲線表明:兩種反應(yīng)器的陰極電壓之間沒有明顯區(qū)別，而陽極電壓存在明顯區(qū)別，這說明提高微生物燃料電池能量輸出的關(guān)鍵是石墨烯修飾陽極，而不是陰極。同時(shí)，相比于空白陽極MFC，石墨烯修飾陽極MFC在實(shí)現(xiàn)更高能量輸出的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了更高效的甲基橙去除，脫色率提高11％，C

6、OD去除率提高16％。該研究為提高微生物燃料電池的產(chǎn)電性能和甲基橙同步脫色提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法。
　　(3)采用所構(gòu)建的雙室方形微生物燃料電池處理甲基橙模擬廢水。在進(jìn)水甲基橙濃度為50-800mgL-1、共基質(zhì)（葡萄糖）濃度為0-2.0mgL-1的條件下，系統(tǒng)考察了MFC對(duì)甲基橙的脫色效果和同步產(chǎn)電的影響。在MFC以甲基橙-葡萄糖為混合燃料連續(xù)工作6個(gè)月后，通過生物多樣性分析揭示了陽極生物膜微生物組成的基本信息。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在一

7、定濃度范圍內(nèi)，陽極室中加入的甲基橙對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電有積極的促進(jìn)作用。當(dāng)使用1gL-1葡萄糖為單一燃料時(shí)，MFC的最大輸出電壓為565mV，當(dāng)在陽極液中添加甲基橙濃度分別為50、100、200、300和500mgL-1時(shí)，MFC的最大輸出電壓分別提高至658、640、629、617和605mV。從脫色方面看，甲基橙在MFC中可以實(shí)現(xiàn)加速脫色，相比于開路情況（相當(dāng)于普通厭氧反應(yīng)器），反應(yīng)8h后甲基橙在MFC中的脫色率提高了57％;在葡萄

8、糖濃度一定的條件下，隨著甲基橙負(fù)荷的增加，脫色效率隨之下降。另外，研究發(fā)現(xiàn)共基質(zhì)的存在對(duì)甲基橙的高效脫色和同步產(chǎn)電是必須的。在所研究共基質(zhì)濃度范圍內(nèi)，共基質(zhì)濃度越大，脫色效率和COD去除效率越高，同時(shí)輸出電壓也越大。而在無共基質(zhì)存在的條件下，8h內(nèi)MFC對(duì)300mgL-1甲基橙的脫色率僅為7.5％，最大輸出電壓僅為140mV。454-高通量測(cè)序揭示了陽極生物膜的微生物種群基本信息，經(jīng)NCBI網(wǎng)站比對(duì)的測(cè)序結(jié)果表明:經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的馴化，陽極