生物電化學系統(tǒng)強化偶氮染料去除和二氧化碳轉(zhuǎn)化的研究.pdf

1、生物電化學系統(tǒng)（Bioelectrochemical system，BES）作為一種新型的微生物電化學技術(shù)，可在處理污染物的同時實現(xiàn)電能回收和高附加值產(chǎn)品制備等。雖然BES在處理偶氮染料廢水和實現(xiàn)CO2資源化方面顯示出了較大潛力，但仍然存在一些問題亟需解決，如偶氮染料降解效率低、二氧化碳轉(zhuǎn)化率低等。本論文以BES為對象，圍繞如何強化偶氮染料去除和CO2轉(zhuǎn)化等問題開展了系統(tǒng)而深入的研究。研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、考察了關(guān)鍵因素對

2、BES降解單、雙偶氮染料的影響，優(yōu)化了運行條件，探索了降解動力學和途徑。首先研究了陰極電勢、陰極液中溶解氧和陰極生物膜對單偶氮染料在BES中降解的影響，發(fā)現(xiàn)陰極電勢越負越有利于單偶氮染料的降解，而陰極液中溶解氧的存在及陰極上的生物膜可能會對單偶氮染料的降解產(chǎn)生不利影響。當陰極電勢從-0.2降低到-0.8Vvs Ag/AgCl時，偶氮染料降解率從0增加到94.90±0.01％，而當陰極液中溶解氧濃度從0增加到5.80mg L-1，偶氮染料

3、降解率從87.19±4.73％降低到27.77±0.06％。其次通過響應曲面法(RSM)實現(xiàn)了對雙偶氮染料在BES中降解的參數(shù)優(yōu)化，明確了影響雙偶氮染料降解的關(guān)鍵因素，分析了不同因素之間對雙偶氮染料降解的交互影響，闡明了雙偶氮染料在BES中可能的降解路徑。最后考察了單、雙偶氮染料在BES中的降解動力學，發(fā)現(xiàn)都符合準一級模型，且相似的條件下雙偶氮染料的降解要慢于單偶氮染料。
　　2、解析了偶氮染料分子結(jié)構(gòu)對其在BES中降解的作用規(guī)律

4、?？疾炝伺嫉玖先〈N類和取代基位置的影響，利用電化學循環(huán)伏安法(CV)和電化學阻抗譜(EIS)等分析方法驗證了影響規(guī)律，構(gòu)建了預測分子結(jié)構(gòu)對偶然染料在BES中降解的定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)模型。研究發(fā)現(xiàn)，吸電子基團（羧基、磺酸基和硝基）可以促進偶氮染料在BES中的還原，而給電子基團（氫離子和羥基）會對偶氮染料的還原產(chǎn)生不利影響;相對于間位和對位，吸電子基團羧基和硝基處于鄰位對偶氮染料在BES中還原起到促進作用，而給電子基團羥基則在鄰

5、位時會抑制偶氮染料的降解。CV和EIS等分析迸一步佐證了實驗結(jié)果，而且構(gòu)建的QSAR模型的預測值和實驗值有很好的吻合度。
　　3、闡明了混合微生物電化學還原CO2產(chǎn)乙酸的溫度依賴性。構(gòu)建了BES混菌生物陰極還原CO2產(chǎn)乙酸，考察了溫度(10-70℃)對產(chǎn)酸量、產(chǎn)酸率以及庫倫效率等的影響，利用CV和EIS等電化學分析方法研究了混菌陰極的電化學特性，通過掃描電子顯微鏡(SEM)、激光共聚焦顯微鏡(CLSM)和16S rRNA基因測序分

6、析了陰極微生物隨溫度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，混菌生物陰極還原CO2產(chǎn)乙酸的最佳溫度范圍在中溫條件下;當溫度從10℃升高到70℃時，產(chǎn)乙酸的庫倫效率在14.50±2.20％到64.86±2.20％之間變化，最大值為55℃的64.86±2.20％;電化學分析表明不同溫度下混菌生物陰極還原CO2產(chǎn)中可能沒有可溶性氧化還原媒介的電子傳遞作用，而且溫度對生物陰極的歐姆內(nèi)阻和傳荷內(nèi)阻都有較大影響;微生物表征結(jié)果顯示溫度對混菌生物陰極懸浮液和生物膜

7、中的微生物種群分布有著顯著的影響，并對乙酸菌存在選擇性。
　　4、通過陰極修飾強化了BES還原轉(zhuǎn)化CO2，解析了可能的促進機制。利用循環(huán)伏安電沉積法在碳氈上修飾了兩種氧化還原媒介中性紅(NR)和蒽醌磺酸(AQDS)，構(gòu)建了混菌生物陰極，發(fā)現(xiàn)修飾電極顯著加快了生物還原CO2產(chǎn)甲烷過程，且產(chǎn)甲烷效果從高到低順序為:NR＞AQDS＞對照組;EIS分析表明氧化還原媒介修飾電極能夠明顯降低生物陰極的歐姆內(nèi)阻和傳荷內(nèi)阻，進而提高電子轉(zhuǎn)移速率促