改性生物质活性炭空气阴极MDC性能及微生物分析
发布时间：2020-10-21 20:50
构建了三室空气阴极微生物脱盐燃料电池(MDC)系统处理榨菜废水。对比了3种阴极催化剂(商品化铂碳(Pt/C)、载锰改性废菌渣活性炭(Mn-MRAC)、铁锰改性废菌渣活性炭(Fe/Mn-MRAC))的MDC产电、脱盐性能及阳极生物膜微生物群落的差异。结果表明,在产电与脱盐性能方面,Mn-MRAC在外电阻1 000Ω的负载下,输出电压、最大功率密度、库伦效率和脱盐速率分别为574 mV、2.59 W/m~3、(26.0±0.9)%和5.39 mg/h,其效果与Pt/C相似,但成本大大降低。Fe/Mn-MRAC的效果则与上述2者相差较大。这为用单金属元素锰改性废菌渣活性炭替代商用铂碳成为空气阴极催化剂提供了实践支持。高通量测序分析表明,3组MDC系统的阳极生物膜中产电菌种类相似但丰度不同,分别为80.93%的(Pt/C)、78.75%的(Mn-MRAC)和72.09%的(Fe/Mn-MRAC)。水解发酵菌属为榨菜废水MDC阳极的核心微生物群落。同时在3组阳极生物膜中发现了反硝化菌属,证明阳极可能存在反硝化反应。
【部分图文】：
设置3套相同规格的空气阴极MDC反应器，有效容积为260 mL，如图1所示。阳极电极材料为碳毡（PAN基碳纤维毡），有效面积为35 cm2，阴极电极材料为碳布（W1S1005），有效面积为42 cm2，将阴极催化剂、Nafion粘结剂、去离子水和异丙醇混合后涂抹到碳布上，3种催化剂用量按碳布有效面积确定，面密度选取为1.5 mg/cm2。用钛丝将电极引出，将导线与变阻箱（初始外电阻设置为1 000?）串联形成闭合回路。数据采集器用导线并联至电阻箱两端，采集反应器的输出电压。系统启动时，阳极加入配制好的阳极液与厌氧池污泥进行接种。当输出电压低于50 mV时认为一个产电周期结束，更换阳极液。连续3个周期输出电压基本相同时认为MDC系统达到稳定。稳定后，脱盐室加入榨菜厂厌氧池出水，阴极室加入超纯水。3套MDC系统除阴极催化剂外无差异，均采取间歇方式运行。1.3 检测指标与方法
在外电阻1 000Ω的负载下，不同阴极催化剂的输出电压如图2所示。Pt/C、Mn-MRAC、Fe/MnMRAC这3种催化剂下电池的输出电压依次为578、574、447 mV。在单个稳定产电周期内，Pt/C、MnMRAC、Fe/Mn-MRAC的产电周期依次为51、45、41 h。可见在处理榨菜废水时Pt/C与Mn-MRAC的输出电压接近，但前者的周期较长。Fe/Mn-MRAC输出电压较低、周期较短。输出电压和产电周期出现差异的主要原因可能为3种阴极催化剂的催化性能不同，导致阴极电势不同。Fe/Mn-MRAC的输出电压较低，可能是因为在实际高盐废水（榨菜废水）运行中，Fe较Mn更多地参与了阴极的其它反应，Fe元素析出，致使催化活性位点减少，不利于氧还原反应，催化性能下降，阴极电势较低[10]。稳定运行3个周期后，采用梯度改变外电阻的方法测量电池功率密度曲线与极化曲线（以阴极室有效容积计算），结果如图3所示。如图3(a）所示，Pt/C、Mn-MRAC、Fe/Mn-MRAC这三种催化剂的最大功率密度分别为2.73、2.59、1.54 W/m3。可见，Mn-MRAC与Pt/C的功率密度接近，Fe/Mn-MRAC的功率密度则较低。张慧超[11]用曝气阴极MDC处理人工配制盐水可以得到5.08 W/m3的最大输出功率，本实验得到的最大功率密度略低于报道。这可能与反应器的构型、尺寸与实际榨菜废水等因素有关。
不同阴极催化剂下MDC脱盐室盐度如图5所示。3套系统中间脱盐室的盐度均可脱至1 g/L以下，脱盐率均可达到91%以上。但脱除相同的盐度所需时间不同，Pt/C与Mn-MRAC的脱盐时间接近，Fe/Mn-MRAC的脱盐时间则较长。Pt/C、MnMRAC、Fe/Mn-MRAC的脱盐速率依次为5.67、5.39、4.49 mg/h。MDC脱盐速率与反应器构型、腔室之间的体积比例关系与脱盐室初始盐度等因素有关[15]。CAO[2]等在反应室与脱盐室体积比为9:1的条件下进行实验，在初始盐水浓度35g/L时，其脱盐效果在90%以上，本实验结果与报道接近。Pt/C、Mn-MRAC、Fe/Mn-MRAC的脱盐速率存在差异的主要原因可能是3者的输出电压与功率密度不同。MDC运行初始阶段的盐度脱除更多的是依靠扩散作用，运行稳定阶段则更多依靠电池产生的电场来驱动离子迁移[16]。3套MDC系统在运行初始阶段盐度脱除效果无太大差异，稳定运行后由于Fe/MnMRAC的输出电压较低，导致其脱盐速率与Pt/C和Mn-MRAC差异较大。2.4 不同阴极催化剂下MDC微生物群落分析
【相似文献】
本文编号：2850585
【部分图文】：
设置3套相同规格的空气阴极MDC反应器，有效容积为260 mL，如图1所示。阳极电极材料为碳毡（PAN基碳纤维毡），有效面积为35 cm2，阴极电极材料为碳布（W1S1005），有效面积为42 cm2，将阴极催化剂、Nafion粘结剂、去离子水和异丙醇混合后涂抹到碳布上，3种催化剂用量按碳布有效面积确定，面密度选取为1.5 mg/cm2。用钛丝将电极引出，将导线与变阻箱（初始外电阻设置为1 000?）串联形成闭合回路。数据采集器用导线并联至电阻箱两端，采集反应器的输出电压。系统启动时，阳极加入配制好的阳极液与厌氧池污泥进行接种。当输出电压低于50 mV时认为一个产电周期结束，更换阳极液。连续3个周期输出电压基本相同时认为MDC系统达到稳定。稳定后，脱盐室加入榨菜厂厌氧池出水，阴极室加入超纯水。3套MDC系统除阴极催化剂外无差异，均采取间歇方式运行。1.3 检测指标与方法
在外电阻1 000Ω的负载下，不同阴极催化剂的输出电压如图2所示。Pt/C、Mn-MRAC、Fe/MnMRAC这3种催化剂下电池的输出电压依次为578、574、447 mV。在单个稳定产电周期内，Pt/C、MnMRAC、Fe/Mn-MRAC的产电周期依次为51、45、41 h。可见在处理榨菜废水时Pt/C与Mn-MRAC的输出电压接近，但前者的周期较长。Fe/Mn-MRAC输出电压较低、周期较短。输出电压和产电周期出现差异的主要原因可能为3种阴极催化剂的催化性能不同，导致阴极电势不同。Fe/Mn-MRAC的输出电压较低，可能是因为在实际高盐废水（榨菜废水）运行中，Fe较Mn更多地参与了阴极的其它反应，Fe元素析出，致使催化活性位点减少，不利于氧还原反应，催化性能下降，阴极电势较低[10]。稳定运行3个周期后，采用梯度改变外电阻的方法测量电池功率密度曲线与极化曲线（以阴极室有效容积计算），结果如图3所示。如图3(a）所示，Pt/C、Mn-MRAC、Fe/Mn-MRAC这三种催化剂的最大功率密度分别为2.73、2.59、1.54 W/m3。可见，Mn-MRAC与Pt/C的功率密度接近，Fe/Mn-MRAC的功率密度则较低。张慧超[11]用曝气阴极MDC处理人工配制盐水可以得到5.08 W/m3的最大输出功率，本实验得到的最大功率密度略低于报道。这可能与反应器的构型、尺寸与实际榨菜废水等因素有关。
不同阴极催化剂下MDC脱盐室盐度如图5所示。3套系统中间脱盐室的盐度均可脱至1 g/L以下，脱盐率均可达到91%以上。但脱除相同的盐度所需时间不同，Pt/C与Mn-MRAC的脱盐时间接近，Fe/Mn-MRAC的脱盐时间则较长。Pt/C、MnMRAC、Fe/Mn-MRAC的脱盐速率依次为5.67、5.39、4.49 mg/h。MDC脱盐速率与反应器构型、腔室之间的体积比例关系与脱盐室初始盐度等因素有关[15]。CAO[2]等在反应室与脱盐室体积比为9:1的条件下进行实验，在初始盐水浓度35g/L时，其脱盐效果在90%以上，本实验结果与报道接近。Pt/C、Mn-MRAC、Fe/Mn-MRAC的脱盐速率存在差异的主要原因可能是3者的输出电压与功率密度不同。MDC运行初始阶段的盐度脱除更多的是依靠扩散作用，运行稳定阶段则更多依靠电池产生的电场来驱动离子迁移[16]。3套MDC系统在运行初始阶段盐度脱除效果无太大差异，稳定运行后由于Fe/MnMRAC的输出电压较低，导致其脱盐速率与Pt/C和Mn-MRAC差异较大。2.4 不同阴极催化剂下MDC微生物群落分析
【相似文献】
相关期刊论文 前3条
1 韩小艳;李小俊;王永祥;;表达不同接头长度的MDC与CVB3VP1融合基因疫苗免疫效果的研究[J];河北北方学院学报(医学版);2010年03期
2 张爱萍;;活性炭在植物组织培养中的应用[J];中国果菜;2009年02期
3 韩振先;倪同汉;;氮化活性炭的研制与应用[J];林业科学;1980年01期
相关博士学位论文 前2条
1 陈晓虹;MDC基因修饰的膜表达HSP70的瘤苗诱导抗肿瘤免疫反应及其机理探讨[D];浙江大学;2002年
2 刘莹;解旋酶DHX33在mDC中识别dsRNA和RNA病毒的机制研究[D];吉林大学;2014年
相关硕士学位论文 前2条
1 高淑红;Shewanella oneidensis MR-1生物阴极对酸性橙7的还原脱色效果及机制研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 孙宇良;纯菌生物阴极MFCs还原Cr（Ⅵ）的浓度与腐殖酸效应[D];大连理工大学;2015年
本文编号：2850585
本文链接：https://www.wllwen.com/shengtaihuanjingbaohulunwen/2850585.html
