硫酸盐还原菌微生物燃料电池基础研究

摘要

微生物燃料电池是一种利用微生物新陈代谢将化学能直接转化为电能的生物反应器。近年来作为废水处理的新技术和可再生能源利用的新方式，微生物燃料电池受到人们的广泛关注。而目前硫酸盐废水生物处理过程中，硫酸盐还原菌产生硫化氢抑制系统中细菌的活性，直接导致处理工艺的失效；且硫化氢的释放污染空气、危害人类健康，直接导致水泥和金属的腐蚀破坏，迫切需要开发新的可持续处理技术。本研究旨在利用硫酸盐还原菌作为活性菌构建微生物燃料电池，处理硫酸盐废水、获得电能、回收资源。
　　 首先以普通碳布为阳极，载铂碳纸为阴极，硫酸盐还原菌为阳极活性菌构建了单室空气阴极微生物燃料电池。电池最大输出功率密度为23 mW m-2(766.67mW m-3)，COD 降解率为55.6[％]。采用循环伏安法研究了硫酸盐还原菌的电化学活性及其电子转移过程；结合表面分析技术扫描电镜、X-射线能谱分析及X-射线光电子能谱阐明了SRB 生物膜在碳布阳极上的电子转移机理，即SRB 将硫酸盐还原成为硫负离子，后者在电极上被氧化成为单质硫或聚硫，同时将电子传递至电极；当电位较高时，单质硫或聚硫也能被进一步氧化生成亚硫酸盐或硫酸盐。采用交流阻抗法研究了电池阳极阻抗，并构建等效电路模拟了吸附有生物膜阳极的阻抗构成。
　　 另外还研究了阳极材料和阴极催化剂对电池产电的影响。以开路电位和阳极阻抗为参数评价了碳布、碳纸和自制聚苯胺/二氧化钛阳极的性能，结果显示碳纸阳极所对应的开路电位最高、阻抗最小，显示了其作为阳极材料的优越性。以负载两端外电压和阴极阻抗为参数评价了不同阴极催化剂的性能，结果表明，催化剂能显著提高输出电压，极大地降低反应的电子转移电阻；而且金属大环配合物铁酞菁作为阴极催化剂的效果明显优于二氧化锰。
　　 最后以SRB 为阳极活性菌、脱氮硫杆菌为阴极活性菌构建了双室MFC，电池开路电位为430mV，负载1kΩ定值电阻的外电压为100mV。采用循环伏安法证明了脱氮硫杆菌的电化学活性。X-射线光电子能谱研究了其阳极SRB的电子传递机理，结果与单室一致。此外采用交流阻抗法研究了双室MFC的阴阳极内阻和电池整体的内阻，其中阴极内阻1253Ω远大于阳极内阻341Ω，说明阴极是电池产电的限制因素。