微生物燃料電池產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)技術能直接利用廢水中多種有機物作為燃料，在降解污染物的同時直接收獲電能，是一種革命性的廢水處理工藝，受到國內外學者的廣泛關注。目前限制MFC實際應用的一個關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，陽極因為影響微生物的吸附和生長代謝，以及電子從微生物到電極之間的傳遞而被認為是一個關鍵因素。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、學活性較小等不利因素。利用能增加電極比表面積和促進電子傳遞的某種電活性材料對碳材料表面進行修飾是一種行之有效的解決方法。
　　本文從產電和廢水處理兩方面著手，探索借助陽極修飾的方法提高MFC產電性能的可行性;并以典型偶氮染料甲基橙為目標污染物，考察甲基橙在MFC中的脫色效果及同步產電性能。論文主要研究內容和成果如下:
　　(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)測了薄膜的規(guī)律生長。循環(huán)伏安和電化學交流阻抗實驗表明:納米金修飾碳紙電極較空白碳紙電極表現(xiàn)出更好的電化學行為，包括更大的電活性表面積，更快的電子轉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達到最大輸出功率346mWm-2，提高了50％，啟動時間為175h，縮短了36％。實驗結果表明:層層組裝技術是將納米金修飾到碳紙電極上的一種簡單有效的方法，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電性能。
　　(2)利用化學還原氧化石墨烯(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MFC的電能輸出和對甲基橙的高效去除。循環(huán)伏安和電化學交流阻抗實驗表明:石墨烯修飾碳紙電極較空白碳紙電極表現(xiàn)出更好的電化學行為。掃描電子顯微鏡結果顯示:修飾電極表面的粗糙度增加，有利于更多的細

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達到最大輸出功率368mWm-2，提高了51％，啟動時間為180h，縮短了31％。陽極和陰極極化曲線表明:兩種反應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鍵是石墨烯修飾陽極，而不是陰極。同時，相比于空白陽極MFC，石墨烯修飾陽極MFC在實現(xiàn)更高能量輸出的同時，還實現(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電性能和甲基橙同步脫色提供了一種簡單有效的方法。
　　(3)采用所構建的雙室方形微生物燃料電池處理甲基橙模擬廢水。在進水甲基橙濃度為50-800mgL-1、共基質（葡萄糖）濃度為0-2.0mgL-1的條件下，系統(tǒng)考察了MFC對甲基橙的脫色效果和同步產電的影響。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。結果發(fā)現(xiàn):在一

7、定濃度范圍內，陽極室中加入的甲基橙對微生物燃料電池產電有積極的促進作用。當使用1gL-1葡萄糖為單一燃料時，MFC的最大輸出電壓為565mV，當在陽極液中添加甲基橙濃度分別為50、100、200、300和500mgL-1時，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中可以實現(xiàn)加速脫色，相比于開路情況（相當于普通厭氧反應器），反應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，隨著甲基橙負荷的增加，脫色效率隨之下降。另外，研究發(fā)現(xiàn)共基質的存在對甲基橙的高效脫色和同步產電是必須的。在所研究共基質濃度范圍內，共基質濃度越大，脫色效率和COD去除效率越高，同時輸出電壓也越大。而在無共基質存在的條件下，8h內MFC對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)站比對的測序結果表明:經(jīng)過長時間的馴化，陽極