微生物電化學(xué)系統(tǒng)利用重金屬離子產(chǎn)電特性研究.pdf

1、人類社會的發(fā)展離不開能源的使用和開發(fā)，但日漸稀少的化石能源和其燃燒后所造成的環(huán)境污染問題，已成為各國所面臨的棘手問題，因此加大對生物質(zhì)能源的開發(fā)利用已成為當(dāng)務(wù)之急。微生物電化學(xué)系統(tǒng)（Microbial electrochemical system,BES）是利用微生物作為電化學(xué)反應(yīng)中的催化劑，將廢水中的有機(jī)物所包含的化學(xué)能或者生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能或生成氫氣，這是一項(xiàng)環(huán)境友好型產(chǎn)能技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。一直以來，BES系統(tǒng)的陰極多為使用

2、鉑（Pt）作為催化劑的空氣陰極或鐵氰化鉀陰極。Pt作為催化劑成本較高、且催化劑容易被污染；而鐵氰化鉀需按時(shí)更換，實(shí)際應(yīng)用性差。因此如果能將某些具有較高氧化還原電位的廢物（如某些重金屬離子）作為陰極的電子受體，這將大大提高BES的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。并且現(xiàn)有的BES系統(tǒng)產(chǎn)生的電量及電壓均較低，無法滿足日常需要，因此如何真正有效地利用BES產(chǎn)生的電能也是研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。
　　基于以上分析，本文以模擬的重金屬廢水在BES系統(tǒng)中產(chǎn)電的

3、特性及產(chǎn)生的微小電能后續(xù)利用的可行性為研究對象，解決了傳統(tǒng)BES系統(tǒng)陰極成本過高及產(chǎn)生電能過低難以利用的問題。研究了分別以氧化還原電位較高的Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)作為陰極電子受體的陽離子膜型微生物燃料電池（microbial fuel cell,MFC）和陰離子膜型MFC的產(chǎn)電效能，考察了其在不同初始pH和重金屬離子濃度下的電壓、功率密度和內(nèi)阻變化情況。并在提高其產(chǎn)電性能的基礎(chǔ)上，考察了陰極重金屬離子的變化趨勢。針對MFC運(yùn)行過程中陰極

4、液中的離子向陽極室遷移而造成的陽極微生物活性降低的問題，將微生物脫鹽燃料電池（microbial desalination cell,MDC）應(yīng)用于銅、鉻強(qiáng)化產(chǎn)電中，分析比較了不同BES系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。針對BES系統(tǒng)產(chǎn)能較低，將BES產(chǎn)生的電能用于驅(qū)動能耗低的電容去離子技術(shù)（Capacitive deionization，CDI），實(shí)現(xiàn)了對BES系統(tǒng)產(chǎn)生的能量的進(jìn)一步利用。
　　針對于現(xiàn)有的MFC利用重金屬產(chǎn)電系統(tǒng)中使用的是成本高

5、昂的質(zhì)子交換膜的問題，主要考察了由應(yīng)用成本只有質(zhì)子交換膜1/40的陰陽離子交換膜所構(gòu)建的MFC，在利用Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)作為陰極電子受體時(shí)的產(chǎn)電輸出性能。結(jié)果表明，pH3.0、初始Cu(Ⅱ)濃度為1000 mg/L時(shí)，1000Ω外電阻下的最高電壓可達(dá)478 mV，相應(yīng)的電流密度和功率密度分別為243.5 mA/m2和116.4 mW/m2，并且經(jīng)過長期運(yùn)行后產(chǎn)電性能穩(wěn)定。而在使用Cr(Ⅵ)作為陰極電子受體時(shí)，當(dāng)pH2.0，Cr(Ⅵ)

6、濃度為100 mg/L時(shí)獲得的最高電壓可達(dá)500 mV以上，但由于pH2.0時(shí)大量的H+由陰極室滲透入陽極室內(nèi)，造成運(yùn)行三個周期后MFC處于崩潰狀態(tài)。當(dāng)以陰極表面生長有馴化后的微生物為催化劑時(shí)，在陰極液 pH為6.8~7.0、初始 Cr(Ⅵ)濃度為80 mg/L時(shí)，電壓就可達(dá)到490 mV以上，最大電流密度可達(dá)250 mA/m2，是pH7.0非生物陰極時(shí)的200倍，并且經(jīng)過長期的運(yùn)行后產(chǎn)電性能無改變。通過高通量測序發(fā)現(xiàn)，Acinetob

7、acter在屬的水平上所占的比例達(dá)到23.5％。Acinetobacter不僅具有較高的耐受Cr(Ⅵ)的能力，還能夠?qū)r(Ⅵ)進(jìn)行還原。并且在存在陰極生物膜的條件下，MFC的輸出電壓明顯升高，說明Acinetobacter是具有Cr(Ⅵ)還原能力的一類電化學(xué)活性微生物。在上述的MFC中，Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)都因得到電子而從溶液中被去除，最高的去除率可以達(dá)到99%以上，出水中Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)濃度均小于1 mg/L。這些結(jié)果表明，

8、使用重金屬離子作為電子受體的MFC不僅可以獲得較高的電能輸出，還可以對重金屬有去除的作用。
　　針對于Cr生物陰極MFC的適應(yīng)濃度低而非生物陰極Cr-MFC的H+滲透問題，在MFC研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了MDC系統(tǒng)利用鉻、銅強(qiáng)化產(chǎn)電的研究。提出能夠以Cr(Ⅵ)作為電子受體的三室微生物脫鹽燃料電池（MDC）以及Cu(Ⅱ)作為陰極電子受體的新型四室微生物脫鹽電池(FMDC)。結(jié)果表明，三室MDC中的CEM可以有效的阻止Cr(Ⅵ)以Cr2O

9、72-的形式進(jìn)入到其他室內(nèi)，而AEM能夠阻止H+進(jìn)入到陽極室內(nèi)，從而達(dá)到陽極室的穩(wěn)定運(yùn)行。MDC能夠在pH2.0時(shí)長期運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)中采用的Cr(Ⅵ)濃度范圍為100～1000 mg/L，最大電流密度可達(dá)1360 mA/m2。而針對 Cu(Ⅱ)所構(gòu)建的FMDC也能夠阻止陰極液中的Cl-滲透入陽極室，在外阻為10Ω、初始Cu(Ⅱ)濃度為800 mg/L時(shí)，F(xiàn)MDC獲得的最大電流密度可以達(dá)到2.0 A/m2。
　　同等運(yùn)行條件下的MFC和

10、MDC系統(tǒng)內(nèi)阻比較發(fā)現(xiàn)，MFC的內(nèi)阻是MDC內(nèi)阻的50%左右。而內(nèi)阻越小越有助于BES的電能輸出，因此MFC更適合作為電源驅(qū)動CDI，對廢水中的Cu(Ⅱ)進(jìn)行吸附去除。單一MFC供電的吸附效果比0.8V直流電源供電時(shí)降低了11.5%。當(dāng)采用BES的串聯(lián)或并聯(lián)為CDI供電時(shí)，可以顯著的提高CDI的電吸附性能。三個MFC并聯(lián)或串聯(lián)的情況下CDI對Cu(Ⅱ)的吸附容量都可達(dá)到22 mg/g以上，比單一MFC供電時(shí)CDI的吸附容量分別提高了20