微生物电化学系统利用重金属离子产电特性研究

发布时间：2017-04-04 09:17

  本文关键词：微生物电化学系统利用重金属离子产电特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人类社会的发展离不开能源的使用和开发,但日渐稀少的化石能源和其燃烧后所造成的环境污染问题,已成为各国所面临的棘手问题,因此加大对生物质能源的开发利用已成为当务之急。微生物电化学系统(Microbial electrochemical system,BES)是利用微生物作为电化学反应中的催化剂,将废水中的有机物所包含的化学能或者生物质能转化为电能或生成氢气,这是一项环境友好型产能技术,具有良好的应用前景。一直以来,BES系统的阴极多为使用铂(Pt)作为催化剂的空气阴极或铁氰化钾阴极。Pt作为催化剂成本较高、且催化剂容易被污染;而铁氰化钾需按时更换,实际应用性差。因此如果能将某些具有较高氧化还原电位的废物(如某些重金属离子)作为阴极的电子受体,这将大大提高BES的环境和经济效益。并且现有的BES系统产生的电量及电压均较低,无法满足日常需要,因此如何真正有效地利用BES产生的电能也是研究中的重点和难点问题。基于以上分析,本文以模拟的重金属废水在BES系统中产电的特性及产生的微小电能后续利用的可行性为研究对象,解决了传统BES系统阴极成本过高及产生电能过低难以利用的问题。研究了分别以氧化还原电位较高的Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)作为阴极电子受体的阳离子膜型微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)和阴离子膜型MFC的产电效能,考察了其在不同初始p H和重金属离子浓度下的电压、功率密度和内阻变化情况。并在提高其产电性能的基础上,考察了阴极重金属离子的变化趋势。针对MFC运行过程中阴极液中的离子向阳极室迁移而造成的阳极微生物活性降低的问题,将微生物脱盐燃料电池(microbial desalination cell,MDC)应用于铜、铬强化产电中,分析比较了不同BES系统的产电性能。针对BES系统产能较低,将BES产生的电能用于驱动能耗低的电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI),实现了对BES系统产生的能量的进一步利用。针对于现有的MFC利用重金属产电系统中使用的是成本高昂的质子交换膜的问题,主要考察了由应用成本只有质子交换膜1/40的阴阳离子交换膜所构建的MFC,在利用Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)作为阴极电子受体时的产电输出性能。结果表明,p H3.0、初始Cu(Ⅱ)浓度为1000 mg/L时,1000Ω外电阻下的最高电压可达478 m V,相应的电流密度和功率密度分别为243.5 m A/m2和116.4 m W/m2,并且经过长期运行后产电性能稳定。而在使用Cr(Ⅵ)作为阴极电子受体时,当p H2.0,Cr(Ⅵ)浓度为100 mg/L时获得的最高电压可达500 m V以上,但由于p H 2.0时大量的H+由阴极室渗透入阳极室内,造成运行三个周期后MFC处于崩溃状态。当以阴极表面生长有驯化后的微生物为催化剂时,在阴极液p H为6.8~7.0、初始Cr(Ⅵ)浓度为80 mg/L时,电压就可达到490 m V以上,最大电流密度可达250 m A/m2,是p H 7.0非生物阴极时的200倍,并且经过长期的运行后产电性能无改变。通过高通量测序发现,Acinetobacter在属的水平上所占的比例达到23.5%。Acinetobacter不仅具有较高的耐受Cr(Ⅵ)的能力,还能够将Cr(Ⅵ)进行还原。并且在存在阴极生物膜的条件下,MFC的输出电压明显升高,说明Acinetobacter是具有Cr(Ⅵ)还原能力的一类电化学活性微生物。在上述的MFC中,Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)都因得到电子而从溶液中被去除,最高的去除率可以达到99%以上,出水中Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)浓度均小于1 mg/L。这些结果表明,使用重金属离子作为电子受体的MFC不仅可以获得较高的电能输出,还可以对重金属有去除的作用。针对于Cr生物阴极MFC的适应浓度低而非生物阴极Cr-MFC的H+渗透问题,在MFC研究的基础上,进行了MDC系统利用铬、铜强化产电的研究。提出能够以Cr(Ⅵ)作为电子受体的三室微生物脱盐燃料电池(MDC)以及Cu(Ⅱ)作为阴极电子受体的新型四室微生物脱盐电池(FMDC)。结果表明,三室MDC中的CEM可以有效的阻止Cr(Ⅵ)以Cr2O72-的形式进入到其他室内,而AEM能够阻止H+进入到阳极室内,从而达到阳极室的稳定运行。MDC能够在p H 2.0时长期运行,实验中采用的Cr(Ⅵ)浓度范围为100~1000 mg/L,最大电流密度可达1360 m A/m2。而针对Cu(Ⅱ)所构建的FMDC也能够阻止阴极液中的Cl-渗透入阳极室,在外阻为10Ω、初始Cu(Ⅱ)浓度为800 mg/L时,FMDC获得的最大电流密度可以达到2.0A/m2。同等运行条件下的MFC和MDC系统内阻比较发现,MFC的内阻是MDC内阻的50%左右。而内阻越小越有助于BES的电能输出,因此MFC更适合作为电源驱动CDI,对废水中的Cu(Ⅱ)进行吸附去除。单一MFC供电的吸附效果比0.8V直流电源供电时降低了11.5%。当采用BES的串联或并联为CDI供电时,可以显著的提高CDI的电吸附性能。三个MFC并联或串联的情况下CDI对Cu(Ⅱ)的吸附容量都可达到22 mg/g以上,比单一MFC供电时CDI的吸附容量分别提高了20.4%和22.4%。本文研究了BES系统利用Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)产电的特性,在以产电为主的同时,辅以完成脱盐和重金属去除的过程。并且探讨现阶段BES系统产电应用的可行性,用其驱动CDI电极吸附去除废水中的Cu(Ⅱ),取得了较好的处理效果,最终达到了BES系统废物资源化的目的。
【关键词】：生物电化学系统 微生物燃料电池 微生物脱盐燃料电池 电容去离子 重金属离子
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.45;X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第1章 绪论16-42
• 1.1 课题背景16-21
• 1.1.1 国内外能源发展现状16-18
• 1.1.2 废物的能源化技术18-19
• 1.1.3 重金属废水的污染及治理19-21
• 1.2 微生物电化学系统的发展及工作原理21-25
• 1.2.1 发展历程21-23
• 1.2.2 基本原理和结构23
• 1.2.3 微生物电子转移机制23-25
• 1.3 微生物电化学系统的材料和构型25-31
• 1.3.1 阳极材料25-27
• 1.3.2 阴极材料27-29
• 1.3.3 膜材料29-30
• 1.3.4 反应器构型30-31
• 1.4 微生物电化学系统的应用领域31-37
• 1.4.1 BES系统在废水处理与同步产电中的应用31-33
• 1.4.2 产氢的应用33
• 1.4.3 BES系统在土壤修复中的应用33-34
• 1.4.4 生物传感器34
• 1.4.5 BES系统在海水淡化中的应用34-37
• 1.5 电容去离子技术概述37-39
• 1.5.1 CDI技术的原理37-38
• 1.5.2 CDI技术的研究现状38-39
• 1.5.3 CDI技术同BES系统的联用工艺39
• 1.6 研究内容与技术路线39-42
• 1.6.1 研究意义39-40
• 1.6.2 研究内容与技术路线40-42
• 第2章 实验材料与方法42-57
• 2.1 实验材料42-43
• 2.1.1 BES的电极材料42
• 2.1.2 膜材料42
• 2.1.3 CDI电极的制备42-43
• 2.2 实验药剂与仪器43-45
• 2.2.1 实验药品43-44
• 2.2.2 实验仪器44-45
• 2.3 接种污泥、阳极培养液和阴极电解液45-46
• 2.3.1 接种污泥45
• 2.3.2 阳极培养液45
• 2.3.3 阴极电解液45-46
• 2.4 实验装置46-50
• 2.4.1 MFC利用重金属废水产电的装置46-47
• 2.4.2 MDC利用重金属废水产电、脱盐的装置47-48
• 2.4.3 BES系统驱动CDI吸附重金属离子的装置48-49
• 2.4.4 实验用水49-50
• 2.5 分析和测试方法50-52
• 2.5.1 挥发酸（VFA）浓度的测定50
• 2.5.2 Cr(Ⅵ)、总Cr和Cu(Ⅱ)浓度的测定50
• 2.5.3 阳极电极微生物形态的观测50-51
• 2.5.4 阴极电极表面沉积物SEM-EDS、XPS分析51
• 2.5.5 电化学极谱（EIS）分析51
• 2.5.6 比表面积及孔隙分布测定51
• 2.5.7 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析51-52
• 2.5.8 润湿角测定52
• 2.5.9 电导率的测定52
• 2.6 计算方法52-57
• 2.6.1 电压与电流52-53
• 2.6.2 输出功率密度53
• 2.6.3 BES系统的内阻和极化曲线53-54
• 2.6.4 恒电流充放电测试54
• 2.6.5 库伦效率54-55
• 2.6.6 脱盐效率和脱盐速率55
• 2.6.7 电吸附量和解吸速率55-57
• 第3章 微生物燃料电池利用铜、铬的产电特性研究57-83
• 3.1 引言57
• 3.2 微生物燃料电池利用铜的产电性能研究57-66
• 3.2.1 微生物燃料电池的配制及启动特性57-59
• 3.2.2 微生物燃料电池的产电性效能研究59-63
• 3.2.3 微生物燃料电池的阴极效能研究63-65
• 3.2.4 稳定运行条件下MFC的产电性能65-66
• 3.3 微生物燃料电池利用铬产电的性能研究66-72
• 3.3.1 除铬微生物燃料电池启动特性66-67
• 3.3.2 微生物燃料电池的产电效能研究67-69
• 3.3.3 微生物燃料电池的阴极效能研究69-71
• 3.3.4 稳定运行条件下MFC的产电性能71-72
• 3.4 生物阴极微生物燃料电池利用铬强化产电的性能研究72-81
• 3.4.1 生物阴极微生物燃料电池的启动特性73-74
• 3.4.2 生物阴极MFC产电与阴极效能研究74-77
• 3.4.3 稳定运行条件下生物阴极除Cr的MFC的产电性能77-78
• 3.4.4 生物阴极内微生物群落结构特征分析78-81
• 3.5 本章小结81-83
• 第4章 微生物脱盐燃料电池利用铜、铬强化产电特性的研究83-105
• 4.1 引言83
• 4.2 三室微生物脱盐燃料电池利用铬强化产电性能的研究83-93
• 4.2.1 三室微生物脱盐燃料电池的配制及启动特性83-84
• 4.2.2 三室微生物脱盐燃料电池的产电效能研究84-87
• 4.2.3 三室微生物脱盐燃料电池的脱盐效能研究87-89
• 4.2.4 三室微生物脱盐燃料电池的阴极效能研究89-91
• 4.2.5 三室微生物脱盐燃料电池长期运行的性能研究91-93
• 4.3 四室微生物脱盐燃料电池利用铜强化产电性能的研究93-99
• 4.3.1 四室微生物脱盐燃料电池的配制及启动特性93
• 4.3.2 四室微生物脱盐燃料电池的产电效能研究93-95
• 4.3.3 四室微生物脱盐燃料电池的脱盐效能研究95-97
• 4.3.4 四室微生物脱盐燃料电池的阴极效能研究97-98
• 4.3.5 稳定运行条件下四室MDC的产电性能98-99
• 4.4 微生物脱盐燃料电池中的重金属转化途径与产物分析99-102
• 4.4.1 Cu(Ⅱ)的转化途径与最终产物分析99-100
• 4.4.2 Cr(Ⅵ)的转化途径与最终产物分析100-102
• 4.5 MFC与FMDC的内阻比较102-103
• 4.6 本章小结103-105
• 第5章 微生物电化学系统产电驱动CDI吸附的特性研究105-126
• 5.1 引言105
• 5.2 粉末活性炭CDI电极的物化性质研究105-109
• 5.2.1 CDI电极的结构特性105-107
• 5.2.2 CDI电极的表面特性107-108
• 5.2.3 CDI电极的电化学特性108-109
• 5.3 直流稳压供电驱动CDI电极吸附铜的性能研究109-112
• 5.3.1 电压对CDI吸附铜效果的影响109-110
• 5.3.2 p H对CDI吸附铜效果的影响110-111
• 5.3.3 初始浓度对CDI吸附铜效果的影响111-112
• 5.4 MFC产电驱动CDI处理含铜废水效能研究112-121
• 5.4.1 MFC作为供电电源产电性能研究112-113
• 5.4.2 直流电与MFC供电模式下CDI除铜效能对比研究113-115
• 5.4.3 不同共存离子对MFC驱动CDI除铜效能的影响115-117
• 5.4.4 多组MFC联合供电方式对CDI除铜效能的影响117-119
• 5.4.5 吸附前后的电极表面分析119-121
• 5.5 MFC驱动CDI吸附铜的动力学过程研究121-125
• 5.5.1 吸附动力学研究121-123
• 5.5.2 吸附等温线研究123-125
• 5.6 本章小结125-126
• 结论126-128
• 参考文献128-140
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果140-142
• 致谢142-144
• 个人简历144

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本文编号：285303