微生物電化學系統利用重金屬離子產電特性研究.pdf

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

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；而鐵氰化鉀需按時更換，實際應用性差。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的環境和經濟效益。并且現有的BES系統產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產生的電能也是研究中的重點和難點問題。
　　基于以上分析，本文以模擬的重金屬廢水在BES系統中產電的

3、特性及產生的微小電能后續利用的可行性為研究對象，解決了傳統BES系統陰極成本過高及產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、功率密度和內阻變化情況。并在提高其產電性能的基礎上，考察了陰極重金屬離子的變化趨勢。針對MFC運行過程中陰極

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）應用于銅、鉻強化產電中，分析比較了不同BES系統的產電性能。針對BES系統產能較低，將BES產生的電能用于驅動能耗低的電容去離子技術（Capacitive deionization，CDI），實現了對BES系統產生的能量的進一步利用。
　　針對于現有的MFC利用重金屬產電系統中使用的是成本高

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

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

7、acter在屬的水平上所占的比例達到23.5％。Acinetobacter不僅具有較高的耐受Cr(Ⅵ)的能力，還能夠將Cr(Ⅵ)進行還原。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到99%以上，出水中Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)濃度均小于1 mg/L。這些結果表明，

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的適應濃度低而非生物陰極Cr-MFC的H+滲透問題，在MFC研究的基礎上，進行了MDC系統利用鉻、銅強化產電的研究。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-的形式進入到其他室內，而AEM能夠阻止H+進入到陽極室內，從而達到陽極室的穩定運行。MDC能夠在pH2.0時長期運行，實驗中采用的Cr(Ⅵ)濃度范圍為100～1000 mg/L，最大電流密度可達1360 mA/m2。而針對 Cu(Ⅱ)所構建的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，FMDC獲得的最大電流密度可以達到2.0 A/m2。
　　同等運行條件下的MFC和

10、MDC系統內阻比較發現，MFC的內阻是MDC內阻的50%左右。而內阻越小越有助于BES的電能輸出，因此MFC更適合作為電源驅動CDI，對廢水中的Cu(Ⅱ)進行吸附去除。單一MFC供電的吸附效果比0.8V直流電源供電時降低了11.5%。當采用BES的串聯或并聯為CDI供電時，可以顯著的提高CDI的電吸附性能。三個MFC并聯或串聯的情況下CDI對Cu(Ⅱ)的吸附容量都可達到22 mg/g以上，比單一MFC供電時CDI的吸附容量分別提高了20