Fe0陽極和CNTs-CoPc改性陰極對MFC污水處理及產(chǎn)電影響.pdf

1、污水生物處理是目前應(yīng)用最廣泛的水處理技術(shù)之一，但過高的能源消耗限制了該技術(shù)的快速發(fā)展，故能耗控制一直是研究的重點問題。將微生物燃料電池(MicrobialFuel Cells，MFC)與污水處理結(jié)合，降解污染物的同時產(chǎn)生電能，實現(xiàn)污水資源化過程中能量的回收，降低水處理過程中能量的消耗，對水污染的控制及水處理技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
　　本論文通過改進MFC污水處理系統(tǒng)及優(yōu)化電極材料，對污染物去除效率和系統(tǒng)產(chǎn)電性能進行研究。主要研究

2、內(nèi)容包括兩方面:首先，構(gòu)建耦合膜生物反應(yīng)器(Membrane Bioreactor，MBR)的MFC系統(tǒng)，保證系統(tǒng)對污水的高效處理;采用零價鐵改性碳氈作為MFC陽極，利用陽極氧化釋放的鐵離子及系統(tǒng)的內(nèi)部電場抑制MBR膜污染;陽極零價鐵氧化促進產(chǎn)電微生物在其表面富集，縮短系統(tǒng)產(chǎn)電啟動時間。其次，從控制整體成本和提升系統(tǒng)產(chǎn)電性能出發(fā)，構(gòu)建單室MFC污水處理系統(tǒng)，對空氣陰極進行系統(tǒng)研究，優(yōu)化PVDF陰極結(jié)構(gòu)并進行CNTs/CoPc催化改性。具

3、體研究結(jié)果如下:
　　(1)構(gòu)建三室MFC-MBR污水處理系統(tǒng)，采用零價鐵改性碳氈為陽極，利用系統(tǒng)內(nèi)部電場和鐵絮凝共同作用抑制MBR的膜污染，與對照組相比，該系統(tǒng)可將膜清洗周期由32天延長至60天。零價鐵氧化帶動系統(tǒng)產(chǎn)電并促進陽極產(chǎn)電微生物的富集，零價鐵MFC-MBR較對照組平均電壓高50％以上，啟動時間縮短了10天，且輸出電壓更穩(wěn)定。MFC-MBR系統(tǒng)對COD、NH4+-N和總磷的去除率分別約為95％、98％和60％。
　

4、　(2)構(gòu)建鐵犧牲陽極MFC-MBR系統(tǒng)，利用鐵陽極氧化加強系統(tǒng)內(nèi)部電場和鐵絮凝作用，并對含三氯生(TCS)廢水進行處理。系統(tǒng)對COD去除率約為95％，TCS的去除率最高達97.9％。在陽極氧化和微生物的共同作用下，鐵陽極MFC-MBR可持續(xù)穩(wěn)定地輸出電壓約0.2 V，加入TCS后系統(tǒng)電壓提升50％-60％。電場和鐵絮凝共同抑制膜污染，實驗組較對照組膜清洗時間延長約30％。
　　(3)在單室MFC污水處理系統(tǒng)中，采用PVDF優(yōu)化空

5、氣陰極結(jié)構(gòu)，增強系統(tǒng)產(chǎn)電穩(wěn)定性，并延長系統(tǒng)持續(xù)產(chǎn)電時間約70％?？疾煲合鄠?cè)分隔層材料對陰極污染的影響:當(dāng)該層僅起分隔作用時(PVDF)，陰極污染源主要為微生物;當(dāng)該層同時具有分隔和質(zhì)子交換作用時(Nafion)，污染源主要為陽離子沉積和微生物。采用鹽酸處理污染的陰極后，以Nafion為分隔層的MFC產(chǎn)電性能恢復(fù)更好，最大功率密度達338.1mW m-2，是紫外處理后的1.45倍。
　　(4)采用高效氧還原催化劑碳納米管復(fù)合酞菁鈷(

6、CNTs/CoPc)對空氣陰極進行改性，進一步提高單室MFC產(chǎn)電性能。研究四種不同形態(tài)CNTs復(fù)合CoPc的氧還原催化性能，其中短多壁-CNTs/CoPc氧還原機制為2電子為主并伴有4電子的混合反應(yīng)機制，而其他三種以4電子反應(yīng)為主導(dǎo)。多壁-CNTs/CoPc改性陰極較單壁-CNTs/CoPc具有更高的半波電位、峰電流和輸出電壓，產(chǎn)電性能更好。通過SEM分析，催化劑形貌對其表面Nafion層的形貌有較大影響，Nafion層或滲入催化劑層(

7、短多壁-CNTs/CoPc)，或在催化層表面形成一層覆蓋層(短單壁-CNTs/CoPc)，進而影響MFC的內(nèi)阻和產(chǎn)電。短多壁-CNTs/CoPc改性陰極MFC內(nèi)阻(30Ω-65Ω)低于短單壁-CNTs/CoPc(40Ω-160Ω)，且運行20天內(nèi)，前者的MFC電壓上升0.43％，后者電壓下降8.31％，說明短多壁-CNTs/CoPc陰極MFC產(chǎn)電性能更好。
　　綜上所述，本文構(gòu)建耦合體系MFC-MBR污水處理系統(tǒng)，高效去除污染物的