微生物燃料電池聯(lián)合液膜光催化降解染料廢水的研究.pdf

1、染料廢水具有色度大、組分復(fù)雜、CODcr高、可生化性差等特點(diǎn)，是典型的難降解行業(yè)廢水。我國(guó)作為世界第一染料生產(chǎn)大國(guó)，量大面廣的染料廢水排放嚴(yán)重威脅著我國(guó)的水環(huán)境安全。因此，染料廢水的高效處理和無(wú)害化排放迫在眉睫。微生物燃料電池（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)收獲電能，是近年來(lái)發(fā)展迅速的廢水處理工藝，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。大量研究集中在如何提高M(jìn)FC輸出功率和對(duì)特征污染物的降解，而對(duì)其產(chǎn)電的回收利用

2、少有涉及。TiO2光催化氧化技術(shù)（PC）作為一種高級(jí)氧化技術(shù)（AOPs），因其高效、清潔等優(yōu)點(diǎn)近年來(lái)越來(lái)越多地應(yīng)用于廢水處理，光能利用率低以及光生電子與空穴的高復(fù)合率是該技術(shù)面臨的主要問(wèn)題。圍繞染料廢水的處理，本文首先分別利用雙極液膜光催化法和微生物燃料電池（MFC）兩種技術(shù)對(duì)莧菜紅模擬染料廢水進(jìn)行降解。在此基礎(chǔ)上，將兩種技術(shù)有效聯(lián)合，利用MFC產(chǎn)電輔助雙極液膜光催化，利用PC預(yù)處理染料廢水作為MFC燃料，以期提高廢水處理的高效性和經(jīng)濟(jì)

3、性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴TiO2/Ti膜電極的制備及優(yōu)化：通過(guò)溶膠-凝膠法制備了TiO2/Ti膜電極，最佳制備條件為500℃煅燒2h，涂膜3層。XRD分析TiO2/Ti膜電極表面催化劑晶型主要為銳鈦礦，光電響應(yīng)測(cè)試表明其具有良好的紫外光電響應(yīng)。⑵雙極斜板液膜光催化廢水處理：以TiO2/Ti膜電極為陽(yáng)極，Cu為陰極，組裝雙極斜板液膜反應(yīng)器，光催化降解莧菜紅。確定最佳反應(yīng)條件為：廢水循環(huán)流量100mL/min，廢水初始pH2.

4、52，Na2SO4濃度1.5g/L，莧菜紅初始濃度40mg/L。在此條件下處理90min，脫色率可達(dá)88.1％。初步推斷雙極液膜光催化降解莧菜紅染料廢水的機(jī)理是通過(guò)斷裂莧菜紅分子的偶氮鍵發(fā)色基團(tuán)，并破壞萘環(huán)結(jié)構(gòu)，使其由大分子降解為小分子有機(jī)物而實(shí)現(xiàn)脫色。⑶雙極斜板液膜光催化廢水處理高效機(jī)理：通過(guò)陰陽(yáng)雙極室降解效率和過(guò)氧化氫測(cè)定對(duì)雙極斜板液膜光催化的高效降解機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在激發(fā)光照射下，TiO2/Ti和Cu電極經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)連接后，由于基底

5、Ti和TiO2之間形成的肖特基勢(shì)壘，使光生電子由TiO2表面轉(zhuǎn)移到Ti電極上，然后轉(zhuǎn)移到與Ti等電位的Cu電極表面，并在Cu電極表面直接還原染料或與其表面液膜中的溶解氧反應(yīng)生成H2O2，進(jìn)而參與染料的氧化，由此實(shí)現(xiàn)TiO2/Ti的直接氧化和Cu陰極的直接還原和間接氧化，最終實(shí)現(xiàn)雙極液膜的雙極雙效效果。⑷MFC處理染料廢水與同時(shí)產(chǎn)電的研究：自制雙室型MFC，接種污水處理廠(chǎng)的活性污泥，待MFC穩(wěn)定運(yùn)行后用于處理莧菜紅染料廢水，考察了莧菜濃度

6、、溶液初始pH、MFC外阻和共基質(zhì)濃度對(duì)廢水處理效率和MFC產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果表明，陽(yáng)極微生物的生物催化活性是實(shí)現(xiàn)MFC降解及產(chǎn)電性能的保證，最佳條件為：莧菜紅濃度20mg/L，pH=9.00，外阻2kΩ，NaAc濃度1.68g/L。在最佳條件下，MFC對(duì)20mg/L莧菜紅廢水脫色72h后可達(dá)到90%以上的脫色率，最大功率密度可達(dá)721.38mW·m-2。UV-vis分析表明，MFC降解莧菜紅染料廢水是使莧菜紅分子的偶氮鍵斷裂，由大分

7、子降解為小分子，并不能使其礦化。⑸MFC產(chǎn)電輔助PC（MFC-PC）處理莧菜紅：利用多組MFC串聯(lián)或并聯(lián)的輸出電壓電助雙極斜板液膜光催化，即將MFC產(chǎn)的電能作為光催化的外加電場(chǎng)，用于提高光生電子和空穴的分離效率，從而提高光催化效率?？疾炝薓FC連接方式、廢水循環(huán)流量、染料溶液初始pH、電解質(zhì)濃度、莧菜紅初始濃度對(duì)MFC-PC處理效率的影響。結(jié)果表明，2組MFC串聯(lián)、廢水循環(huán)流量120mL/min、pH2.52、Na2SO42.0g/L、

8、莧菜紅初始濃度20mg/L時(shí)處理效果最佳，處理120min，能夠?qū)崿F(xiàn)100%脫色。UV-vis分析表明，MFC-PC不僅能夠破壞莧菜紅的發(fā)色基團(tuán)，而且能夠使其部分礦化。⑹PC預(yù)處理MFC深度處理染料廢水：為了將PC的高效性和MFC的經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合，將莧菜紅廢水首先經(jīng)過(guò)高效的雙極液膜光催化（PC）預(yù)處理到一定脫色率，然后再將其投加到MFC中作為微生物的基質(zhì)進(jìn)行MFC處理。考察了PC過(guò)程中莧菜紅初始濃度和脫色率，MFC過(guò)程中外阻、基質(zhì)濃度和溶