構(gòu)建了三室空氣陰極微生物脫鹽燃料電池(MDC)系統(tǒng)處理榨菜廢水。對(duì)比了3種陰極催化劑(商品化鉑碳(Pt/C)、載錳改性廢菌渣活性炭(Mn-MRAC)、鐵錳改性廢菌渣活性炭(Fe/Mn-MRAC))的MDC產(chǎn)電、脫鹽性能及陽(yáng)極生物膜微生物群落的差異。結(jié)果表明,在產(chǎn)電與脫鹽性能方面,Mn-MRAC在外電阻1 000Ω的負(fù)載下,輸出電壓、最大功率密度、庫(kù)倫效率和脫鹽速率分別為574 mV、2.59 W/m~3、(26.0±0.9)%和5.39 mg/h,其效果與Pt/C相似,但成本大大降低。Fe/Mn-MRAC的效果則與上述2者相差較大。這為用單金屬元素錳改性廢菌渣活性炭替代商用鉑碳成為空氣陰極催化劑提供了實(shí)踐支持。高通量測(cè)序分析表明,3組MDC系統(tǒng)的陽(yáng)極生物膜中產(chǎn)電菌種類相似但豐度不同,分別為80.93%的(Pt/C)、78.75%的(Mn-MRAC)和72.09%的(Fe/Mn-MRAC)。水解發(fā)酵菌屬為榨菜廢水MDC陽(yáng)極的核心微生物群落。同時(shí)在3組陽(yáng)極生物膜中發(fā)現(xiàn)了反硝化菌屬,證明陽(yáng)極可能存在反硝化反應(yīng)。
【部分圖文】：

設(shè)置3套相同規(guī)格的空氣陰極MDC反應(yīng)器，有效容積為260 mL，如圖1所示。陽(yáng)極電極材料為碳?xì)郑≒AN基碳纖維氈），有效面積為35 cm2，陰極電極材料為碳布（W1S1005），有效面積為42 cm2，將陰極催化劑、Nafion粘結(jié)劑、去離子水和異丙醇混合后涂抹到碳布上，3種催化劑用量按碳布有效面積確定，面密度選取為1.5 mg/cm2。用鈦絲將電極引出，將導(dǎo)線與變阻箱（初始外電阻設(shè)置為1 000?）串聯(lián)形成閉合回路。數(shù)據(jù)采集器用導(dǎo)線并聯(lián)至電阻箱兩端，采集反應(yīng)器的輸出電壓。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，陽(yáng)極加入配制好的陽(yáng)極液與厭氧池污泥進(jìn)行接種。當(dāng)輸出電壓低于50 mV時(shí)認(rèn)為一個(gè)產(chǎn)電周期結(jié)束，更換陽(yáng)極液。連續(xù)3個(gè)周期輸出電壓基本相同時(shí)認(rèn)為MDC系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)定后，脫鹽室加入榨菜廠厭氧池出水，陰極室加入超純水。3套MDC系統(tǒng)除陰極催化劑外無(wú)差異，均采取間歇方式運(yùn)行。1.3 檢測(cè)指標(biāo)與方法

在外電阻1 000Ω的負(fù)載下，不同陰極催化劑的輸出電壓如圖2所示。Pt/C、Mn-MRAC、Fe/MnMRAC這3種催化劑下電池的輸出電壓依次為578、574、447 mV。在單個(gè)穩(wěn)定產(chǎn)電周期內(nèi)，Pt/C、MnMRAC、Fe/Mn-MRAC的產(chǎn)電周期依次為51、45、41 h�？梢�(jiàn)在處理榨菜廢水時(shí)Pt/C與Mn-MRAC的輸出電壓接近，但前者的周期較長(zhǎng)。Fe/Mn-MRAC輸出電壓較低、周期較短。輸出電壓和產(chǎn)電周期出現(xiàn)差異的主要原因可能為3種陰極催化劑的催化性能不同，導(dǎo)致陰極電勢(shì)不同。Fe/Mn-MRAC的輸出電壓較低，可能是因?yàn)樵趯?shí)際高鹽廢水（榨菜廢水）運(yùn)行中，F(xiàn)e較Mn更多地參與了陰極的其它反應(yīng)，F(xiàn)e元素析出，致使催化活性位點(diǎn)減少，不利于氧還原反應(yīng)，催化性能下降，陰極電勢(shì)較低[10]。穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)周期后，采用梯度改變外電阻的方法測(cè)量電池功率密度曲線與極化曲線（以陰極室有效容積計(jì)算），結(jié)果如圖3所示。如圖3(a）所示，Pt/C、Mn-MRAC、Fe/Mn-MRAC這三種催化劑的最大功率密度分別為2.73、2.59、1.54 W/m3�？梢�(jiàn)，Mn-MRAC與Pt/C的功率密度接近，F(xiàn)e/Mn-MRAC的功率密度則較低。張慧超[11]用曝氣陰極MDC處理人工配制鹽水可以得到5.08 W/m3的最大輸出功率，本實(shí)驗(yàn)得到的最大功率密度略低于報(bào)道。這可能與反應(yīng)器的構(gòu)型、尺寸與實(shí)際榨菜廢水等因素有關(guān)。

不同陰極催化劑下MDC脫鹽室鹽度如圖5所示。3套系統(tǒng)中間脫鹽室的鹽度均可脫至1 g/L以下，脫鹽率均可達(dá)到91%以上。但脫除相同的鹽度所需時(shí)間不同，Pt/C與Mn-MRAC的脫鹽時(shí)間接近，F(xiàn)e/Mn-MRAC的脫鹽時(shí)間則較長(zhǎng)。Pt/C、MnMRAC、Fe/Mn-MRAC的脫鹽速率依次為5.67、5.39、4.49 mg/h。MDC脫鹽速率與反應(yīng)器構(gòu)型、腔室之間的體積比例關(guān)系與脫鹽室初始鹽度等因素有關(guān)[15]。CAO[2]等在反應(yīng)室與脫鹽室體積比為9:1的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在初始鹽水濃度35g/L時(shí)，其脫鹽效果在90%以上，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與報(bào)道接近。Pt/C、Mn-MRAC、Fe/Mn-MRAC的脫鹽速率存在差異的主要原因可能是3者的輸出電壓與功率密度不同。MDC運(yùn)行初始階段的鹽度脫除更多的是依靠擴(kuò)散作用，運(yùn)行穩(wěn)定階段則更多依靠電池產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)離子遷移[16]。3套MDC系統(tǒng)在運(yùn)行初始階段鹽度脫除效果無(wú)太大差異，穩(wěn)定運(yùn)行后由于Fe/MnMRAC的輸出電壓較低，導(dǎo)致其脫鹽速率與Pt/C和Mn-MRAC差異較大。2.4 不同陰極催化劑下MDC微生物群落分析
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 韓小艷;李小俊;王永祥;;表達(dá)不同接頭長(zhǎng)度的MDC與CVB3VP1融合基因疫苗免疫效果的研究[J];河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版);2010年03期

2 張愛(ài)萍;;活性炭在植物組織培養(yǎng)中的應(yīng)用[J];中國(guó)果菜;2009年02期

3 韓振先;倪同漢;;氮化活性炭的研制與應(yīng)用[J];林業(yè)科學(xué);1980年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 陳曉虹;MDC基因修飾的膜表達(dá)HSP70的瘤苗誘導(dǎo)抗腫瘤免疫反應(yīng)及其機(jī)理探討[D];浙江大學(xué);2002年

2 劉瑩;解旋酶DHX33在mDC中識(shí)別dsRNA和RNA病毒的機(jī)制研究[D];吉林大學(xué);2014年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 高淑紅;Shewanella oneidensis MR-1生物陰極對(duì)酸性橙7的還原脫色效果及機(jī)制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

2 孫宇良;純菌生物陰極MFCs還原Cr（Ⅵ）的濃度與腐殖酸效應(yīng)[D];大連理工大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2850585