微生物燃料电池处理难生物降解污染物及协同产电——苯酚的阳极生物降解和Cr的阴极还原

摘要

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)能够在有效处理废水的同时实现产能，有可能改变目前污水处理的高能耗状态，因此近几年来受到了广泛的关注。
　　 本文通过利用葡萄糖和乙酸作为基质，构建了上下结构的双极室无介体MFC。在外电阻1000Ω的情况下，以葡萄糖为基质的MFC，最大输出电压达到564 mV，库仑效率为6.76％。以乙酸为基质的MFC，最大输出电压可达520 mV，库仑效率为10.7％。
　　 其次，构建了液体阴极/PEM型、液体阴极/无PEM型和空气阴极型MFC，对其产电性能进行了比较研究。试验结果表明，1000Ω外电阻条件下，以640 mg/L乙酸作为燃料，以阳极面积为基准，液体阴极/PEM型MFC获得的功率密度最高，为382.4 mW/m2；液体阴极/无PEM型MFC可获得113.8 mW/m2的功率密度，这优于已见的此类MFC的其他报道。以阳极室的有效体积为基准，空气阴极型MFC获得的功率密度最高，为15.0 W/m3。液体阴极/PEM型、空气阴极型和液体阴极/无PEM型MFC的内阻分别为188Ω、490Ω和348Ω。可见，MFC的结构对其产能效果影响较大；同时，评价其性能优劣的标准的选取对评价结果也具有显著影响。
　　 从已稳定运行1年的MFC的阳极室分离得到1株具有电化学活性革兰氏阴性细菌--菌株RE7，其16S rRNA基因序列与Pseudomonas aeruginosa strainCMG587有99％同源性，属于假单胞菌属(Pseudomonas sp.)。利用菌株RE7构建的MFC的稳定产电和循环伏安曲线测定结果都表明，菌株RE7具有较强的电化学活性，利用菌株RE7构建的MFC的最大输出电压为352 mV，相应的最大面积功率密度为69.2 mW/m2,体积最大功率密度为6.2 W/m3。由不同稀释比例的MFC排出液的产电效果比较可知，菌株RE7极有可能是通过自身分泌的氧化还原类物质进行电子传递。
　　 对以葡萄糖、葡萄糖和苯酚、苯酚为不同燃料的MFC进行了有机物降解和产能效果的研究。MFC在不同燃料来源条件下对苯酚去除率均大于85％，COD去除率超过80％。MFC的连续运行试验结果表明，1000Ω外电阻条件下，以葡萄糖为单一燃料的MFC运行周期最长，可达400 h，最大输出电压为551 mV，功率密度为121 mW/m2(阳极)；以葡萄糖和苯酚为混合燃料的MFC运行周期约200 h，最大输出电压为208 mV，功率密度为16 mW/m2(阳极)；而以苯酚为单一燃料的MFC运行周期仅约为100 h，最大输出电压为121 mV，功率密度为6mW/m2(阳极)。试验证实了MFC利用苯酚作为燃料的可行性，为酚类难降解有机物的高效低耗处理提供了新的研究思路。
　　 采用填料型MFC，以铁氰化钾溶液作为电子受体，研究苯酚为单一燃料和苯酚+葡萄糖为混合燃料条件下MFC的产电特性以及其基质利用效果。在1000Ω外电阻条件下，1000 mg/L苯酚为单一燃料运行时，MFC在苯酚去除率达到约90％时输出电压达到最大值，最大输出电压为540 mV，产电曲线存在单一极大值；1000mg/L苯酚+500 mg/L葡萄糖为混合燃料运行时，最大输出电压可达657 mV，产电曲线存在2个峰值，第1峰值和第2峰值出现时对应的苯酚的去除率分别约为20％和90％。混合燃料运行条件下，前后2个产电峰值出现时MFC的最大体积(面积)功率密度分别为28.3 W/m3(342.0 mW/m2)和12.6 W/m3(152.2 mW/m2)，内阻分别为194Ω和246Ω。在2种燃料情形下，MFC对苯酚和COD的去除率均可在60 h之内分别达到95％和90％以上。
　　 以苯酚为燃料的填料型MFC，阴极室填充的石墨颗粒的量与MFC的电能输出呈负相关。相同基质的情况下，MFC的外电阻越大，则MFC的库仑效率越高，苯酚的去除率也越高。以均值计算，1000Ω外电阻情况下的苯酚去除率比250Ω的情形高出8～10％。当苯酚的初始浓度低于500 mg/L时，MFC的库仑效率与苯酚的浓度呈正相关。作为共基质的葡萄糖添加量为250 mg/L时MFC获得了最快的苯酚去除(12 h以内，苯酚浓度从1000降低到88.5 mg/L)，更高浓度的葡萄糖对苯酚的去除起到抑制作用。
　　 以重铬酸钾溶液作为电子受体，以碳布和碳刷作为电极材料构建了MFC，研究葡萄糖为阳极基质的条件下MFC的产电特性以及对Cr6+和COD的去除效果。在1000Ω外电阻条件下，含200 mg/L Cr6+的溶液为电子受体时，以碳刷阳极+碳刷阴极MFC的产电性能最佳，获得的最大输出电压为732 mV，对应的最大体积功率密度(阳极)为17.9 W/m3；与此同时，MFC在72 h内可将废水中的Cr6+由200 mg/L降低到3 mg/L，阳极室的COD去除率也达到90％以上。MFC的周期运行时间随着阴极液pH值的降低而明显缩短，阴极液pH=7.0、pH=5.0和pH=2.5时MFC的周期长短分别为144 h、66 h和19 h，周期产电量分别为63.5 C、65.4 C和47.6 C，pH=5.0时MFC可获得最大的周期产电量。MFC的最大输出电压和最大功率密度随着阴极液中Cr6+的浓度的减小而降低，二者呈正相关关系。试验结果表明，MFC能够利用六价铬作为电子受体，在实现高效降解的同时稳定地向外输出电能，这为含铬废水的高效低耗处理提供了新的研究思路。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 能源与环境问题

1.1.1 化石能源消耗对环境的影响

1.1.2 绿色能源的开发

1.2 污水处理与资源化

1.2.1 我国污水处理现状及存在问题

1.2.2 污水的资源化

1.3 微生物燃料电池

1.3.1 微生物燃料电池的工作原理

1.3.2 微生物燃料电池的分类

1.3.3 无介体微生物燃料电池的研究进展

1.3.4 微生物燃料电池的特点

1.3.5 微生物燃料电池在污水处理中的应用前景

1.4 研究内容、目的及意义

1.4.1 本课题的研究内容

1.4.2 课题的研究目的及意义

1.5 参考文献

第二章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 药品和试剂的配制

2.1.2 电极材料和电极的制作

2.1.3 质子交换膜

2.1.4 接种污泥

2.1.4 其他器材

2.2 电池性能评价指标

2.2.1 电压与电流

2.2.2 电池内阻

2.2.3 电池输出功率密度

2.2.4 库仑效率

2.2.5 极化曲线

2.3 分析方法

2.3.1 COD的测定

2.3.2 苯酚的浓度测定

2.3.3 葡萄糖的浓度测定

2.3.4 电极表面SEM分析

2.3.5 菌种鉴定-16SrRNA分析方法

2.3.6 电化学活性测定-循环伏安法

2.3.7 Cr6+的浓度测定

2.4 参考文献

第三章 微生物燃料电池的启动和运行--以葡萄糖和乙酸为燃料

3.1 引言

3.2 研究内容和目的

3.3 材料和方法

3.4 结果与讨论

3.4.1 碳布阳极MFC反应器的启动

3.4.2 不同基质MFC的产能效果

3.4.3 MFC的有机物降解与电子回收

3.4.4 阳极的有效面积对产能的影响

3.4.5 悬浮细菌和附着细菌对产能的影响

3.5 结论

3.6 参考文献

第四章 不同结构微生物燃料电池的产电性能

4.1 引言

4.2 研究内容和研究目的

4.3 材料和方法

4.4 结果与讨论

4.4.1 产能效果

4.4.2 功率密度与库仑效率

4.4.3 库仑效率

4.5 结论

4.6 参考文献

第五章 葡萄糖为基质的MFC产电细菌的分离和纯化

5.1 引言

5.2 研究内容和目标

5.3 材料和方法

5.3.1 菌种的分离和纯化

5.3.2 MFC产电性能测试

5.3.3 菌株的电化学活性测试

5.3.3 电化学活性菌的生长曲线

5.3.4 电化学活性菌的DNA测序

5.3.5 电化学活性菌的产电机理

5.4 结果与讨论

5.4.1 菌株RE7的MFC产电性能

5.4.2 循环伏安曲线

5.4.3 菌种RE7的16S rRNA鉴定

5.4.4 菌种RE7的生长曲线测定

5.4.5 菌种RE7的电镜扫描

5.4.6 菌株RE7的传递电子机制

5.5 结论

5.6 参考文献

第六章 以苯酚为燃料的微生物燃料电池的产电可行性

6.1 引言

6.2 研究内容和目标

6.3 材料和方法

6.4 结果和讨论

6.4.1 以不同有机物为燃料的MFC启动特点

6.4.2 以不同有机物为燃料的MFC产能特性

6.4.3 MFC产电过程中对有机物的连续降解效果

6.4.4 MFC阳极室中葡萄糖的共基质作用对苯酚降解的影响

6.4.5 MFC开路和闭合回路状态下对苯酚的降解比较

6.4.6 关于MFC的库仑效率及试验误差分析

6.5 结论

6.6 参考文献

第七章 高浓度苯酚或苯酚+葡萄糖在MFC中的降解及产电

7.1 引言

7.2 研究内容

7.3 材料与方法

7.4 结果

7.4.1 填料型MFC的启动

7.4.2 以葡萄糖为燃料的填料型MFC的产电特性和降解性能

7.4.3 以苯酚为单一燃料时MFC的产电特性及降解性能

7.4.4 以苯酚和葡萄糖为混合燃料时MFC的产电特性及降解性能

7.4.5 功率密度和基质利用

7.5 讨论

7.6 结论

7.7 参考文献

第八章 各运行参数对MFC中苯酚降解及其产能的影响

8.1 引言

8.2 研究内容

8.3 材料和方法

8.4 结果与讨论

8.4.1 阴极室填充不同体积石墨颗粒的条件下MFC的产电和降解性能

8.4.2 不同外电阻条件下MFC的产电和降解性能

8.4.3 不同苯酚初始浓度条件下MFC的产电和降解性能

8.4.4 不同浓度的葡萄糖作为共基质条件下MFC的产电和降解性能

8.5 结论

8.6 参考文献

第九章 微生物燃料电池阴极对Cr6+的还原去除

9.1 引言

9.2 研究目标和内容

9.3 材料和方法

9.4 结果与讨论

9.4.1 以铁氰化钾作为阴极电子受体的MFC产电性能

9.4.2 以重铬酸钾作为阴极电子受体的MFC产电性能

9.4.3 以重铬酸钾作为阴极电子受体时MFC的Cr6+还原效果

9.4.4 以重铬酸钾作为阴极电子受体时MFC的阳极基质利用

9.4.5 阴极液pH值对MFC产电效果和Cr6+还原速率的影响

9.4.6 阴极液Cr6+初始浓度对MFC产电效果的影响

9.5 结论

9.7 参考文献

第十章 结论和展望

10.1 主要结论和创新

10.1.1 主要结论

10.1.2 主要创新

10.2 展望

博士期间文章发表情况

致谢