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生物阴极MECs-MFCs自驱动系统回收铜钴与抑制剂效应

申靖雅  
【摘要】:铜和钴广泛存在于微电子领域,如锂离子电池中。考虑到铜钻天然矿石的稀缺和废旧锂离子电池的环境污染,从废旧锂离子电池中回收铜钴是人们关注的热点。新近发展的生物电化学系统(bioelectrochemical systems, BESs)在处理重金属方面展现着明显的优势。虽然已经开发了微生物燃料电池(microbial fuel cells, MFCs)驱动微生物电解池(microbial electrolysis cells, MECs)的自驱动系统处理Cu(Ⅱ)与Co(Ⅱ),但MECs的阴极为化学阴极,系统处理Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的速率较慢。因此,有必要发展新型的MECs-MFCs自驱动系统,实现高效的Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)去除。生物阴极BESs是利用微生物为催化剂的反应器,具有化学阴极不可比拟的优势。开发生物阴极MECs-MFCs具有提高Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)回收速率的潜力。另一方面,生物阴极的电子传递机制,特别是阴极电极、微生物、电子受体间的关系与作用都还知之甚少。而呼吸链抑制剂和铜浓度可能是影响还原Cu(Ⅱ)生物阴极MFCs中电极、微生物与Cu(Ⅱ)受体间关系的关键因素。基于此,本研究(1)构建生物阴极MECs-MFCs的自驱动系统,以期提高Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)回收速率:(2)分别考察不同铜浓度、呼吸链抑制剂鱼藤酮和2,4-DNP对纯菌构建的生物阴极MFCs还原铜性能影响,以期剖析不同电化!学生物催化剂下的阴极电极、微生物、Cu(Ⅱ)电子受体间的关系。主要结论如下:(1)生物阴极MECs-MFCs的自驱动系统在Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)初始浓度为50 mg/L和40mg/L时的处理速率分别为6.0±0.2mg/(L·h)和5.3±0.4mg/(L·h),是化学阴极MECs-MFCs对照系统的1.7和3.3倍;MFCs中较高的初始Cu(Ⅱ)浓度和较小的阴极工作体积不仅能提高Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的处理速率(分别为115.7mg/(L·h)与6.4mg/(L·h)),且能产氢(0.05 ± 0.00 mol/mol COD)。生物阴极的宏基因组分析表明,Proteobacteria占总菌群的67.9%,其次为Firmicutes(14.0%), Bacteroidetes(6.1%), Tenericutes(2.5%), Lentisphaerae(1.4%)和Synergistetes(1.0%)。(2)从混菌驯化的生物阴极MFCs中分离并鉴定出4株菌,暂分别命名为Stenotrophomonas maltophilia JY1、Citrobacter sp. JY3、Pseudomonas aeruginosa JY5和Stenotrophomonas sp. JY6。改变初始Cu(Ⅱ)浓度、添加抑制剂不改变Stenotrophomonas maltophilia JY1和Pseudomonas aeruginosa JY5的系统电流和铜还原率,说明这两株菌并没有对电极到Cu(Ⅱ)之间的电子传递产生促进作用:而提高铜浓度可增加Citrobacter sp. JY3和Stenotrophomonas sp. JY6的系统电流和铜还原率,证明这两株菌的存在与电极到Cu(Ⅱ)之间的电子传递相关;但添加抑制剂时,Citrobacter sp. JY3的电流与铜还原率都不受影响,表明其胞内电子传递可能并没有参与Cu(Ⅱ)从电极得电子的过程;而Stenotrophomonas sp. JY6的胞内电子传递与电极到细胞的电子传递过程相关,因为在抑制剂作用时,呼吸链受到影响的同时,系统电流和铜还原率也随之降低。该结果表明,还原Cu(Ⅱ)的生物阴极MFCs中阴极电极、回路电流、Cu(Ⅱ)末端电子受体间有着不同的关系,该关系依电化学活性菌的不同而不同。


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