单室无膜微生物电解池中电极生物膜电活性的电化学评估

发布时间：2020-05-13 05:42

【摘要】：虽然以H~+和CO_2为电子受体的有机质产CH_4厌氧矿化在废水处理、可持续生物能的生产等方面有着很好的发展前景,但由于该过程复杂,以及其表现出来的时间较长、出水COD高、易波动失效等缺陷使得有机质产CH_4厌氧矿化过程的工程应用受到了限制。MECs出现之后,MECs参与的有机质产CH_4厌氧矿化过程在速度、彻底性、稳定性、产气质量等方面都表现出明显的改进,使得拓宽有机质产CH_4厌氧矿化的工程应用成为可能。低成本的生物阴极为降低MECs的成本、推动其应用带来了新的希望,可是其低活性又成了其应用面临的新问题。如何简便快捷地驯化出高活性的产甲烷生物阴极自然就成了当前的一个研究焦点。易发酵的碳水化合物,如葡萄糖是实际废物流中的常见组分。以葡萄糖为碳源,利用结构简单、成本低廉的单室无膜反应器来寻找高活性产甲烷生物阴极的研究尚未见到报道。自然界中大量的生物膜是没有电活性的,为此,本研究从电化学的角度对产甲烷单室无膜反应器中获得的生物膜进行了电活性表征,以评估通过该方法获取工程用生物电极的可能性。一、在产甲烷的单室无膜微生物电解池(single chamber,membraneless microbial electrolysis cell,SCMMEC)中,阴极上生长微生物膜是不可避免的。以葡萄糖为电子供体的单室无膜微生物电解池中阴极上富集的生物膜具有电活性。在外压0.8 V的情况下,试验测定的两个生物阴极的电流密度可分别达到0.59 A/m~2和0.62 A/m~2。但通过该法获得的生物阴极活性仍然比较低,是阴阳极对中的电流限制电极。进一步的介体影响评价表明,阴极的电活性不受溶液中可能存在的电子介体的影响。在低剂量缓冲盐(6 mM的磷酸盐)下的长期运行显示,生物阴极在62天和153天时的活性持平,但到275天时的活性出现明显下降。晾干的生物阴极上析出了白色的盐沉积,这可能是生物阴极活性下降的主要原因。直流电压下电极的长期极化不可避免地会导致离子浓缩,甚至是盐沉积,从而影响生物阴极的活性。二、不同外压(0.2 V、0.3 V和0.5 V)下分别经76天、71天和66天富集得到的生物阴极的电压扫描表明,生物阴极的活性水平相当。这为选用稳定性差的廉价电源降低SCMMEC的固定成本,优化MECs的外压来降低运行成本提供了可能。同时,进水COD-施加外压-电流密度测试显示,外压的选择还应考虑进水浓度,低COD选择较低的外压,反之则相反。比较试验表明,在葡萄糖为碳源的环境中,0.4 V下173天运行的304不锈钢混合阴极的电流密度低于普通石墨棒生物阴极,即在该环境中使用成本较高的不锈钢阴极不具有竞争优势。生物阴极上的生物膜受损后,经30天的自然修复,其催化活性略有提高,但仍未达到受损前的状态。相对于电极电势而言,系统监控过程中电流密度是更为灵敏和低成本的监测参数。电压扫描初步断定,生物阴极不同部位的催化能力不同,上半部的催化能力要高于下半部的催化能力。三、在以葡萄糖为电子供体的低压单室无膜微生物电解池中,可通过生物阴极反转为生物阳极来加快启动新的生物阳极。这是一种适合工程应用的实用生物阳极启动方法,但应用过程中应注意避开极性反转导致的低活性“调整期”。而经过10天和30天“阳极”过程改造的生物阴极,其活性没有受到影响。四、葡萄糖为电子供体的SCMMEC生物阳极可反转为具有电活性的生物阴极。但通过该法获得的生物阴极活性仍然较低,是阴阳极对中的电流限制电极。进一步的介体影响评价表明,阴极的电活性不受溶液中可能存在的电子介体的影响。将生物阳极的运行时间从60天延长到90天无助于阴极电活性的提高。增加生物阴极的面积可明显提高系统的处理能力,将阴阳极的面积比提高到介于2:1到3:1之间时,阳极的处理能力即开始不受限制。
【图文】：

顺序图,氧化还原反应,顺序,电极

速被产甲烷菌转化为甲烷[ 58 , 59 ]。最近 Deutzmann 等[ 60 ]对 Methanococcus maripaludis 和Sporomusa sphaeroides 的胞外电子传递研究发现，表观的直接电子摄取可通过胞外酶催化的H2/HCOOH 的快速循环来完成。直接方式半反应：CO2+8H++8e-→CH4+2H2O E0= -240 mV （2）间接方式半反应：2H++2e-=H2E0= -414 mV （3）CO2+ 4H2→ CH4+2H2O （4）比较阳极产生的标准还原电极势（-280 mV）和产 H2的标准还原电极电势（-414 mV）可知，阴极产 H2不能自发进行，必须依赖施加外压来补充不足部分（-414+280=-134 mV）才有进行的可能。该值比电解水的理论外压（1.23 V[61]）低了近 10 倍。比较阳极产生的标准还原电极电势（-280 mV）和产 CH4的标准还原电极电势（-240 mV）可知，理论上阳极产生的标准还原电极电势（-280 mV）可以自发驱动阴极产 CH4，但由于电子由阳极到阴极的过程中有能量损失，往往使得阴极的产 CH4也需要外压来驱动。

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mV（vs. SHE）下催化 CO2产甲烷，，批式运行时最大产甲烷速率为 5.12 0.16 m连续运行时则上升到了 15.35 mmol m-2-d-1。4 产 CH4混合菌生物膜的稳定性于研究起始阶段的产甲烷生物阴极，主要工作是提高其活性，并且考察的时间都比对来说，考察阴极稳定性的报道较少。Van Eerten-Jansen 等[43]在阴极电势 0.7 V 下后，将阴极转入双室运行，同时阴极电势控制在 0.55 V（vs NHE），从第 83 天到未见阴极活性有下降的迹象。etschger 等[69]对产甲烷生物阴极进行 6 个月的跟踪评估表明，第 3 个月时的产甲烷。Zhen 等[89]猜测生物阴极上的盐沉积可能降低了其催化活性。rpenter, K.等[90]跟踪双室产甲烷生物阴极的运行，不到 250 天电流就出现明显下降8 天将阳离子交换膜由 Nafion -117 更新为 Ultrex 膜，在接下来 450 天的运行跟见电流回升。跟踪结果见图 1.3。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;X703

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