發(fā)布時(shí)間：2020-07-31 10:15

【摘要】：通過(guò)構(gòu)建一種微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC),先將含對(duì)氯酚的廢水加入至陰極,利用陰極的還原能力進(jìn)行對(duì)氯酚脫氯處理,生成相對(duì)毒性較小的苯酚;將脫氯后的處理液轉(zhuǎn)移至陽(yáng)極,利用陽(yáng)極微生物降解其中的苯酚。這樣將含對(duì)氯酚的廢水在同一MFC中先后經(jīng)過(guò)陰陽(yáng)兩級(jí)分步降解處理,取得了較傳統(tǒng)MFC陽(yáng)極降解對(duì)氯酚而言,更好的效果。為了掌握陰陽(yáng)兩級(jí)分步降解處理對(duì)氯酚廢水的工藝特性,并與陽(yáng)極降解處理對(duì)氯酚廢水的效果進(jìn)行比較。構(gòu)建了若干MFC,在保持其他運(yùn)行條件一致的前提下,通過(guò)改變MFC外電阻、底物種類、濃度、有無(wú)共基質(zhì)及外電路連接狀況等方式。研究了MFC陽(yáng)極降解對(duì)氯酚、苯酚的效果及產(chǎn)電性能,陰極脫氯降解對(duì)氯酚的效果及產(chǎn)電性能等。同時(shí),配制初始對(duì)氯酚濃度為100 mg/L的廢水,分別用MFC陰陽(yáng)兩級(jí)分步降解法、傳統(tǒng)MFC陽(yáng)極降解法及傳統(tǒng)厭氧微生物降解降解法進(jìn)行降解處理。研究了各個(gè)方法處理對(duì)氯酚的可行性及降解效果的同時(shí),對(duì)降解效果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明,MFC陰陽(yáng)兩級(jí)分步降解法較其他方法而言,有一定優(yōu)勢(shì)。主要研究結(jié)果如下:(1)MFC陽(yáng)極降解法能有效的降解廢水中的對(duì)氯酚。以25 mg/L對(duì)氯酚及1 g/L乙酸鈉為共基質(zhì)陽(yáng)極底物,陰極采用空氣陰極,外電阻為1000?時(shí)。獲得了355mV的最大輸出電壓,43.6 mW/m2最大輸出功率,對(duì)氯酚的降解率可達(dá)91.2%。(2)MFC陽(yáng)極降解法能有效的降解廢水中的苯酚。以100 mg/L苯酚及1g/L乙酸鈉為共基質(zhì)陽(yáng)極底物,陰極采用空氣陰極,外電阻為1000?時(shí)。獲得了537mV最大輸出電壓,苯酚的降解率可達(dá)99.7%。(3)MFC陰陽(yáng)兩級(jí)分步降解對(duì)氯酚主要分為兩個(gè)步驟:(1)陰極脫氯階段:將對(duì)氯酚加入MFC陰極室作為電子受體,陽(yáng)極室則加入陰極脫氯處理液,運(yùn)行電池。此階段MFC最大輸出電壓為215mV,93.4%對(duì)氯酚被轉(zhuǎn)化為苯酚;(2)陽(yáng)極降解階段:將陰極脫氯處理液轉(zhuǎn)移至陽(yáng)極室并添加1 g/L乙酸鈉為共基質(zhì)陽(yáng)極底物,陰極采用空氣陰極,運(yùn)行電池。此階段幾乎所有苯酚均被降解,最終溶液中對(duì)氯酚剩余濃度為3.8 mg/L,最大輸出電壓為277mV。整個(gè)MFC陰陽(yáng)兩極分步降解對(duì)氯酚過(guò)程中,平均電壓輸出為233mV,對(duì)氯酚總?cè)コ蕿?6.2%。較MFC陽(yáng)極降解法及傳統(tǒng)厭氧生物降解法而言,有一定優(yōu)勢(shì)。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM911.45
【圖文】：

圖 1.1 MFC 原理圖1.1.2 MFC 的電子傳遞機(jī)理當(dāng)下，MFC 系統(tǒng)中主要存在生物膜機(jī)制和電子穿梭機(jī)制等兩種主流電子傳遞機(jī)理的解釋：接下來(lái)為這兩種機(jī)制簡(jiǎn)單的說(shuō)明和解釋：（1）生物膜機(jī)制：顧名思義，該機(jī)制 MFC 陽(yáng)極微生物在生長(zhǎng)運(yùn)行過(guò)程中首先會(huì)生成生物膜并且吸附于陽(yáng)極電極表面，又被稱之為直接接觸機(jī)制，此機(jī)制中陽(yáng)極室電極必須與相應(yīng)陽(yáng)極微生物細(xì)胞膜有物理意義上的直接接觸，隨后存在于微生物中的細(xì)胞色素 C 或“納米導(dǎo)線”將會(huì)把微生物呼吸代謝所產(chǎn)生的電子傳遞至電極表面。細(xì)胞色素 C 或“納米導(dǎo)線”常能在細(xì)胞外膜上檢測(cè)到[5]。對(duì)于這種生物膜機(jī)制而言，電池的產(chǎn)電性能將與電極單層單位面積內(nèi)的微生物的含量息息相關(guān)[6]，因?yàn)殡娮酉胍恢苯觽鬟f至 MFC 電極表面，通常陽(yáng)極微生物必須與 MFC 電極存在緊密接觸才可行。根據(jù) Kim[7]等人的報(bào)道，吸附于電極上外層微生物在生長(zhǎng)代謝底物過(guò)程中所產(chǎn)生的電子可通過(guò)微生物導(dǎo)線生物膜這一結(jié)構(gòu)傳遞給內(nèi)層微生物，隨后內(nèi)層微生物以同樣方式將電子傳遞至 MFC陽(yáng)極

（4）構(gòu)造：①雙室 MFC：MFC 最初形態(tài)即為雙室 MFC，該類 MFC 構(gòu)造形式多樣，包括矩形式、升流式、雙瓶式各種形式。其中，最普及、最廣泛的為雙瓶式 MFC，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)操作條件更改方便，因此常被應(yīng)用于研究陽(yáng)極、陰極、隔膜等對(duì) MFC 相關(guān)性能的影響。但此類 MFC 的內(nèi)阻普遍較大，因此輸出功率密度相對(duì)較小，主要因?yàn)殡p室 MFC由陰陽(yáng)兩級(jí)室組成，電極之間線路較長(zhǎng)、陰陽(yáng)兩級(jí)間存在隔膜等增大內(nèi)阻的結(jié)構(gòu)等原因所導(dǎo)致的；②單室 MFC：即MFC 僅有一個(gè)電極室，根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為“二合一”及“三合一”兩種結(jié)構(gòu)類型，不管是“二合一”或“三合一”哪種類型 MFC，陰極均暴露于空氣之中，這一特性使陰極的傳質(zhì)阻力大大減小，相同條件下輸出功率遠(yuǎn)大于雙室 MFC，上述MFC 具體介紹如圖 1.2 所示：

人們希望在 MFC陰極表面的氧氣按照四電子途徑進(jìn)行反應(yīng)，從而獲得更多的電能輸出。但若要想實(shí)現(xiàn) MFC陰極表面氧氣按四電子反應(yīng)途徑，就要先打開(kāi)O-O 鍵，其離解能高達(dá) 494 kJ/mol，且反應(yīng)中的兩個(gè) O 原子都必須同時(shí)與電極催化劑發(fā)生反應(yīng)。因此最終陰極電子手氣氧氣的反應(yīng)途徑，將有氧氣于電極上的吸附狀態(tài)所決定，相關(guān)研究表明，氧分子有三種不同的吸附狀態(tài)[51]，詳見(jiàn)圖1.3：(a) Griffiths mode:這種吸附狀態(tài)一般出現(xiàn)在用 Pt 修飾過(guò)的電極表面，氧分的兩個(gè)氧原子通過(guò)同一個(gè) M 原子與電極發(fā)生作用，更易使氧氣通過(guò)四電子途徑發(fā)生反應(yīng)。(b) Pauling mode:常規(guī)電極材料均是此種吸附狀態(tài)，氧氣中一個(gè)氧原子通過(guò)一個(gè) M 原子與電極發(fā)生作用，更易使氧氣通過(guò)兩電子途徑發(fā)生反應(yīng)。(c) Bridge mode:這種氧氣的吸附狀態(tài)為氧氣中的兩個(gè)氧原子各通過(guò)一個(gè) M原子與電極發(fā)生反應(yīng)，更易使氧氣發(fā)生四電子反應(yīng)。

【參考文獻(xiàn)】

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1 趙昕宇;何小松;檀文炳;高如泰;席北斗;李丹;張慧;;典型胞外呼吸細(xì)菌的胞內(nèi)電子轉(zhuǎn)移機(jī)制研究進(jìn)展[J];生態(tài)學(xué)報(bào);2017年08期

2 馬海南;華丹蕓;楊濤;林逢凱;楊磊;;紫外光與超聲波耦合對(duì)氯酚水溶液的降解研究[J];環(huán)境污染與防治;2015年08期

3 陳柳柳;徐源;楊倩;陳英文;祝社民;沈樹(shù)寶;;微生物燃料電池對(duì)苯酚的降解及其產(chǎn)電性能[J];化工環(huán)保;2015年01期

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本文編號(hào)：2776336