土壤微生物燃料电池产电性能及其修复Cd污染土壤效果的研究

发布时间：2020-06-24 11:08

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,MFCs)是一种环境友好型的修复技术,可将化学能转化为电能,不仅不消耗能源相反还能产生少量的电能。利用土壤进行产电的MFCs称为土壤MFCs。本课题主要从土壤MFC的产电性能和其对Cd污染土壤修复效果展开研究。分别研究微生物种类和接种方式、Cd污染浓度、外接电阻以及阴阳极间距的影响。主要结论如下:(1)利用混合菌种(厌氧污泥)和单一菌种(Geobactersulfurreducens)两种产电微生物,以不同接种方式搭建MFC1、MFC2、MFC3、MFC4和MFC5共5组单室土壤微生物燃料电池反应器。其中,MFC1的启动时间最短为2d,产电性能最好,其最大功率密度为35.08mW/m2,内阻为515.5Ω。土壤修复效果与MFC产电性能相关,MFC1效果最好,其阴极Cd富集率为19.02%。研究表明,采用厌氧污泥集中于阳极接种方式是最佳启动条件。稳定运行的MFC反应器会促进重金属Cd在阴极富集,从而达到修复土壤的目的。(2)以Omg/kg、5mg/kg、20mg/kg、100mg/kg的四种Cd污染浓度搭建单室土壤MFC反应器。其中,Cd浓度为Omg/kg的反应器的产电性能优于其他三组反应器,说明Cd的毒性对厌氧污泥产电菌活性有影响。四组反应器的内阻几乎没有区别,均在2000Ω左右。随着Cd浓度的增加,Cd在阴极的富集率越小,Cd污染浓度为5mg/kg的阴极富集率最大为130.00%。在Cd的赋存形态中弱酸提取态的Cd在阴极有明显的富集,而可还原态、可氧化态和残渣态的Cd在阴极的变化不大。而开路对照的反应器因未形成电流,对污染土壤没有修复效果。(3)以10Ω、100Ω、1000Ω、10000Ω的四种外接电阻搭建单室土壤MFC反应器。其中,MFC-10000Q的输出电压最大。4组反应器的最大功率密度有一定的差异,外接电阻较大的反应器在更大的电流密度下达到最大功率密度,且高于外接电阻较低的反应器。反应器的内阻有差异,但区别不大。4组反应器的土壤pH值和土壤中Cd污染的修复情况,发现MFC-10000Ω的阴极土壤pH值明显上升为8.35,且其阴极Cd的富集率最大为128.49%。同时MFC-10Ω的阴极土壤pH值上升程度最小为8.13,并且阴极Cd的富集率最小为42.19%。在Cd的赋存形态中弱酸提取态Cd的富集效果最好。(4)以3cm、6cm、9cm的三种阴阳极间距搭建单室土壤MFC反应器。其中,MFC-9cm的输出电压最小。同时,MFC-3cm和MFC-6cm反应器的输出电压差距明显小于MFC-3cm和MFC-9cm反应器的差距。说明阴阳极间距越大,对MFC输出电压的影响越明显。MFC-9cm的反应器的最大功率密度越小为13.65mW/m2。各组反应器的内阻差异较大。比较3组反应器的土壤pH值和土壤中Cd污染的修复情况,发现MFC-3cm的阴极土壤pH值有着明显上升,且其阴极Cd的富集率最大为107.70%。而开路对照的反应器因无电流通过,对污染土壤没有修复效果。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45;X53
【图文】：

反应器,卡扣,自主设计,课题

图３．１邋ＭＦＣ反应器主体（ａ）和卡扣（ｂ）逡逑Ｆｉｇ３．１邋ＭＦＣ邋ｒｅａｃｔｏｒ邋ｍａｉｎ邋ｂｏｄｙ（ａ）邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｂｕｃｋｌｅ（ｂ）逡逑本课题采用自主设计的有机玻璃反应器，如图３．１邋（ａ）所示。反应器高度为１３．５ｃｍ，逡逑反应器内径为５．Ｏｃｍ，距反应器底部２ｃｍ处为内径９０ｍｍ的进水口，用橡胶塞密封，以逡逑便反应器运行时为阳极添加碳源，并保证阳极厌氧环境。反应器上口的卡扣用于固定阴逡逑极，如图３．１邋（ｂ）所示，卡扣中央直径１８０ｍｍ的口用橡皮塞塞紧，阴极电极钛丝穿过逡逑橡皮塞固定。逡逑３．３．２电极材料的预处理逡逑本课题采用碳毡作为阴阳极的电极材料，据孔晓英等研究，碳毡在电化学活性和逡逑吸附量上优于碳纸和石墨电极。碳毡较大的比表面积使微生物更好地附着，并有良好的逡逑导电性能。本课题中的阴极和阳极均由碳毡和钛丝相连而成，电极均为直径３．５ｃｍ的圆逡逑

电感耦合等离子体质谱法,王水,恒温加热,沉积物

按照《土壤和沉积物１２种金属元素的测定王水提取－电感耦合等离子体质谱法》逡逑（ＨＪ８０３—２０１６）方法测定。称待测土壤样品０．１ｇ（精准至Ｏ．ＯＯＯｌｇ），加入准备好的１００ｍｌ逡逑锥形瓶中，加入６ｍｌ王水溶液（ＨＣｈ邋ＨＮ０３＝３：１），放上玻璃漏斗，于如图３．２的恒温加逡逑热台上加热，使王水一直处在微沸状态２ｈ邋（使王水蒸汽在玻璃漏斗和锥形瓶壁上回流，逡逑但不能太过剧烈，容易导致液体溢出）。消解结束后，锥形瓶静置冷却待到室温，通过慢逡逑速定量滤纸过滤后，并收集于５０ｍｌ容量瓶中。等过滤完成后，用少量０．５ｍｏｌ／Ｌ的ＨＮ0３逡逑溶液清洗锥形瓶、玻璃漏斗和滤渣至少３次以上，洗液一起过滤后收集到容量瓶中，用逡逑去离子水定容。逡逑（２）样品中Ｃｄ赋存形态的测定逡逑样品中Ｃｄ赋存形态的测定方法米用ＢＣＲ法（Ｅｕｒｏｐｅａｎ邋Ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ邋Ｂｕｒｅａｕ邋ｏｆ逡逑Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，欧共体标准测量与检测局提取法）进行测定。逡逑ａ）

【参考文献】