微生物燃料电池阴阳两极降解硝基苯同步产电的对比研究

摘要

微生物燃料电池(Microbial fuel cell，MFC)是一种同时处理废水并向外输出电能的新型装置，是一种潜在低能耗的废水处理技术。硝基苯(nitrobenzene，NB)是芳香族化合物的典型代表物质，含有强吸电子基团——硝基基团，通常情况下易发生还原反应，且NB能够作为微生物的碳源、氮源；采用传统的生物处理方法降解NB需要消耗较多的能量，但在国内外还尚未见利用MFC技术处理NB的相关报道。因此，本研究构造双极室MFC，以NB分别作为MFC的阴阳极反应物，考察MFC的产电性能，并对比研究NB在MFC阴阳两极的降解情况，以探讨利用MFC技术处理硝基苯的可行性。
　　 以250 mg/LNB溶液(pH=3.0)作为阴极电子受体，构建循环式MFC和阳极间歇式MFC反应器。在外电阻为1000Ω，阳极基质为1000 mg/L葡萄糖的情况下，循环式MFC的最大输出电压为400 mV，最大功率密度为6.30 W/m3；阳极间歇式MFC的最大输出电压为389 mV，最大功率密度为3.02 W/m3。结果表明，NB可以作为MFC的阴极电子受体，参与MFC的产电过程，但输出电压曲线与铁氰化钾阴极MFC的输出电压曲线相差甚远，前者大致可以分为四个阶段：迅速上升期、快速下降期、稳定平台期和快速下降期。
　　 其次，通过构建循环双极室铁氰化钾阴极MFC反应器，探讨以葡萄糖和NB共基质以及NB为单一燃料时MFC的产电性能。结果表明，在外阻为1000Ω的条件下，NB的加入严重地抑制了双极室MFC的产电特性，表现为最大输出电压下降、最大输出功率密度下降、内阻增大、产电量和库仑效率减小等；但以250 mg/L NB为单一燃料时，MFC无明显产电现象。DGGE图谱表明NB的加入改变了MFC阳极表面微生物的群落结构，包括菌种的相对优势度和丰度。
　　 对以NB和葡萄糖为共基质的MFC、以纯NB为单一燃料的MFC以及以NB为阴极电子受体的MFC进行了有机物降解的对比研究。结果表明，各种情况下的MFC均可实现对NB的高效降解，24 h内NB的去除率达到99％以上，其中共基质MFC对NB的降解效果最好、降解速率最快，NB在MFC阴极的降解也超过了NB的传统电化学还原法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2微生物燃料电池的概述

1.3微生物燃料电池的研究进展

1.4本课题的研究内容、目的和意义

1.5参考文献

第二章实验材料和方法

2.1实验材料

2.2电池性能评价指标

2.3化学指标

2.4微生物形态和群落结构

2.5参考文献

第三章硝基苯为阴极电子受体时MFC的产电特性

3.1引言

3.2实验装置与设计流程

3.3结果与讨论

3.4结论

3.5参考文献

第四章硝基苯为阳极燃料时MFC的产电特性

4.1引言

4.2实验装置与设计流程

4.3结果与讨论

4.4结论

4.5参考文献

第五章结论与展望

5.1主要结论和创新

5.2本研究的不足和展望

附录 攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢