基于聚苯胺及碳纳米修饰材料的微生物电解池对高氯酸盐的降解研究

发布时间：2019-10-21 14:52

【摘要】：高氯酸盐具有稳定性好,溶解度高,难被矿物质表面或者活性炭吸附的特点,对人体的危害主要表现在对甲状腺功能的破坏,目前其已经成为新型持久性污染物。本实验采用生物电解池技术,以阴极作为高氯酸盐还原菌的电子供体,进行生物电化学还原高氯酸盐的研究,并通过采用导电聚合物和纳米材料对石墨阴极表面进行修饰,实现对阴极的优化,考察纳米复合材料修饰阴极对生物电解池修复效果的影响机制。通过电化学方法制备了不同纳米复合材料修饰电极,并对不同修饰电极材料的电化学性质进行了对比研究,采用FI-IR, Raman等表征手段对这些纳米复合材料进行表征。通过研究不同电极材料在不同条件下的循环伏安曲线可以得出,纳米修饰电极具有良好的电化学性质。膜内高氯酸根离子的传输主要受扩散控制,并且遵循半无限扩散规律。高氯酸根离子更容易在N-H键附近富集,并且掺杂后的膜可以阻止其他离子的富集。因此,高氯酸根在电极附近的离子交换机理主要包含三方面：1)高氯酸根易在修饰电极表面发生富集；2)在氧化还原电位下,发生高氯酸根离子的掺杂与脱掺杂反应；3)掺杂后,高氯酸根在膜内的运动。与PANI修饰电极相比,GR, CNT的掺杂使修饰电极的氧化还原峰电位负移,有利于高氯酸根的掺杂与脱掺杂过程,主要原因有两方面：1)GR、CNT的掺杂可以提高电极的导电性,有利于电极表面的电子传输；2)GR与CNT的掺杂使电极比表面积增大,电极表面更加粗糙,有利于高氯酸根离子的进入。同时,与PANI修饰电极相比,GR、CNT掺杂后,电极峰电位差变小,可逆性提高,稳定性增强。在无膜微生物电解池(MEC)中,外加电场作为唯一电子供体,高氯酸盐还原效果良好,最高还原效率可达1.75mg/L。PANI的多孔性,优良的导电性和良好的生物亲性可以促进生物膜的形成。实验结束后,在悬浮污泥中可以观察到类似纳米导线结构。推测,当外加电场作为唯一电子供体时有利于纳米导线的生成,阴极表面形成生物膜的主要作用是加速电子传递。系统发育树分析表明,悬浮污泥中高氯酸盐还原菌PCRB属于β一变形菌属,并且与Azospiraoryzae strain DSM 13638亲缘关系最为接近。GR与CNT的掺杂,可以提高MEC对高氯酸根离子的降解效果,这主要有两个原因：1)GR、CNT良好的导电性有利于MEC中的胞外电子传递,有利于电极表面的电子传递,促进高氯酸根离子的还原；2)GR与CNT的掺杂使电极表面更加粗糙,孔隙度增大,有利于高氯酸根离子的吸附。与PANI-CNT修饰阴极MEC相比,PANI-GR修饰阴极MEC的高氯酸盐降解效率更高,并且可以促进PCRB的富集。这主要是由于与CNT相比,GR的导电性更高,并且GR表面含氧官能团等丰富。
【图文】：

电化学聚合,聚苯胺,电极,电流稳定

为对比电极），在相同条件下培养。采用电磁揽拌器揽拌溶液，使污泥可Ｗ均匀逡逑地与电极接触。每两天换一次电解液，并采用电化学工作站实现反应器电流的实逡逑时监控，电流稳定后开始实验。实验装置如图２－３所示：逡逑１２逡逑

电解池,聚苯胺,微生物,阴极

电解池分别标记为反应器１，反应器２，反应器３。采用电磁攒拌器e*拌溶液，，逡逑使污泥可１＾均匀地与电极接触。每两天换一次电解液，并采用电化学工作站实现逡逑反应器电流的实时监控，电流稳定后开始实验。实验装置如图２－３所示：逡逑①逡逑Ｉ邋＾１逡逑？邋／ｉｎｉ逡逑管Ｉ屸逡逑１．电极（铜棒＋光谱纯石墨电极），２．法兰，３．出水口，４．微生物电解池反应器，５．曝气逡逑口（Ｎ２，间歇性曝气，提供厌氧环境），６．曝气组件，７．揽拌槽（玻璃，避免长时间攒拌逡逑底部磨穿）逡逑图２－３微生物电解池解析图逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｂｉａｌ邋ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ邋ｃｅｌｌ逡逑１３逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703

【参考文献】