生物電化學(xué)系統(tǒng)強(qiáng)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(xué)系統(tǒng)（Bioelectrochemical system，BES）作為一種新型的微生物電化學(xué)技術(shù)，可在處理污染物的同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)CO2資源化方面顯示出了較大潛力，但仍然存在一些問(wèn)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(duì)象，圍繞如何強(qiáng)化偶氮染料去除和CO2轉(zhuǎn)化等問(wèn)題開展了系統(tǒng)而深入的研究。研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、考察了關(guān)鍵因素對(duì)

2、BES降解單、雙偶氮染料的影響，優(yōu)化了運(yùn)行條件，探索了降解動(dòng)力學(xué)和途徑。首先研究了陰極電勢(shì)、陰極液中溶解氧和陰極生物膜對(duì)單偶氮染料在BES中降解的影響，發(fā)現(xiàn)陰極電勢(shì)越負(fù)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(huì)對(duì)單偶氮染料的降解產(chǎn)生不利影響。當(dāng)陰極電勢(shì)從-0.2降低到-0.8Vvs Ag/AgCl時(shí)，偶氮染料降解率從0增加到94.90±0.01％，而當(dāng)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(guò)響應(yīng)曲面法(RSM)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)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(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)都符合準(zhǔn)一級(jí)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(duì)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(xué)循環(huán)伏安法(CV)和電化學(xué)阻抗譜(EIS)等分析方法驗(yàn)證了影響規(guī)律，構(gòu)建了預(yù)測(cè)分子結(jié)構(gòu)對(duì)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(tuán)（羧基、磺酸基和硝基）可以促進(jìn)偶氮染料在BES中的還原，而給電子基團(tuán)（氫離子和羥基）會(huì)對(duì)偶氮染料的還原產(chǎn)生不利影響;相對(duì)于間位和對(duì)位，吸電子基團(tuán)羧基和硝基處于鄰位對(duì)偶氮染料在BES中還原起到促進(jìn)作用，而給電子基團(tuán)羥基則在鄰

5、位時(shí)會(huì)抑制偶氮染料的降解。CV和EIS等分析迸一步佐證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且構(gòu)建的QSAR模型的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值有很好的吻合度。
　　3、闡明了混合微生物電化學(xué)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(duì)產(chǎn)酸量、產(chǎn)酸率以及庫(kù)倫效率等的影響，利用CV和EIS等電化學(xué)分析方法研究了混菌陰極的電化學(xué)特性，通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)、激光共聚焦顯微鏡(CLSM)和16S rRNA基因測(cè)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(dāng)溫度從10℃升高到70℃時(shí)，產(chǎn)乙酸的庫(kù)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(xué)分析表明不同溫度下混菌生物陰極還原CO2產(chǎn)中可能沒(méi)有可溶性氧化還原媒介的電子傳遞作用，而且溫度對(duì)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(duì)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(duì)乙酸菌存在選擇性。
　　4、通過(guò)陰極修飾強(qiáng)化了BES還原轉(zhuǎn)化CO2，解析了可能的促進(jìn)機(jī)制。利用循環(huán)伏安電沉積法在碳?xì)稚闲揎椓藘煞N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(guò)程，且產(chǎn)甲烷效果從高到低順序?yàn)?NR＞AQDS＞對(duì)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(jìn)而提高電子轉(zhuǎn)移速率促