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微生物燃料电池SPG和PB/PANI氧还原阴极的研究

付磊  
【摘要】: 近十年来,微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)这种能将废水中有机污染物的化学能直接转化为电能的新技术发展较为快速。MFC阴极的作用是接受电子和质子,其性能的改进会显著提高MFC的能量转化效率和功率输出。由于氧气具有较高的氧化电位,低成本,稳定以及没有副产物等特点,其是MFC最合适的阴极电子受体。对氧还原阴极进行深入的研究对于MFC的发展以及未来的工业化应用具有重要意义。本研究以氧还原反应途径的原理为基础,对两种电极材料作为MFC氧还原阴极进行研究。其一是采用光谱纯石墨(SPG)作为阴极实现氧的二电子还原,在MFC原位合成过氧化氢(H2O2),并构成Fenton反应降解偶氮染料废水,为MFC的发展提供了新的方向;其二是以普鲁士蓝/聚苯胺(PB/PANI)修饰电极作为阴极进行氧的四电子还原,使MFC具有与以铁氰化钾作为阴极电子受体的MFC近似的功率输出,保持较好性能的同时降低了MFC的成本。 采用循环伏安技术、电化学交流阻抗技术和计时库伦技术,证明SPG电极具有电催化氧还原的性能,并且还原产物为H2O2。将SPG电极作为MFC的氧还原阴极,构成MFC型反应器。通过极化曲线以及功率曲线发现,反应器的输出功率较小,并且阴极存在较明显的活化损失,所以该系统不适于能量输出。以不同外阻值运行MFC型反应器,发现较小的外阻值有利于H2O2的生成。外阻值为20Ω,运行12小时,反应器阴极液中H2O2的浓度可以达到73~80 mg/L,电流效率和COD转化效率分别为69.47%和8.51%。 利用MFC型反应器所生成的H2O2,与铁离子构成Fenton反应,降解偶氮染料废水。通过对比分析,选择顺序方式运行MFC-Fenton系统可以获得较好的处理效果,即先生成H202,后进行Fenton反应。循环伏安技术证明苋菜红染料的存在不会对MFC生成H2O2造成影响,并且H2O2较难分解苋菜红。以Fe2+为催化剂的MFC-传统Fenton系统中,75 mg/L的苋菜红在1小时的反应时间内,降解率为75.65%。以Fe3+为催化剂的MFC-电Fenton系统中,MFC阴极电极可以持续将Fe3+转化为Fe2+,在1小时的反应时间内对75 mg/L的苋菜红降解效果接近MFC-传统Fenton系统,并且阴极电势在此段时间内可以保持恒定。MFC-电Fenton系统的最大输出功率为28.32 W/m3,是以铁氰化钾作为阴极电子受体的MFC两倍以上。 以光谱纯石墨作为基体电极,通过电化学氧化聚合的方法修饰上聚苯胺膜,通过再掺杂的方式制得普鲁士蓝/聚苯胺/光谱纯石墨(PB/PANI/SPG)电极,其中聚苯胺起到稳定和保护普鲁士蓝膜的作用。采用循环伏安技术、交流阻抗技术、恒电位法、计时库仑技术和环盘电极技术等,证明PB/PANI修饰电极对氧的还原反应具有电催化作用,并且氧在修饰电极表面是以四电子反应途径还原的。电解液中酸浓度和电解质浓度的提高有利于修饰电极的电化学活性。通过连续循环伏安扫描,发现PB/PANI修饰电极电化学重现性较好。 为了将PB/PANI修饰电极应用于MFC中,以果壳活性炭为基体电极,通过化学氧化聚合的方法修饰上聚苯胺,制得普鲁士蓝/聚苯胺/活性炭(PB/PANI/AC)电极。通过SEM、BET、IR、XRD以及ICP等技术对电极进行表征,证明电极表面形成了普鲁士蓝膜,并且电极具有较大的比表面积。PB/PANI/AC电极以三维电极的形式用于MFC的氧还原阴极,考察阴极液pH值和曝气气体对MFC性能的影响,实验结果表明:较低的pH值有利于PB/PANI/AC电极的电催化氧还原反应,但阴极液酸浓度过高会对MFC阳极微生物造成不利影响,阴极液中硫酸浓度为1 mmol/L比较合理;采用氧气和空气作为曝气气体的MFC最大功率密度相差不多,从经济角度考虑,应该采用空气曝气。MFC的最大功率密度为12.82 W/m3,与以铁氰化钾作为阴极电子受体的MFC近似。连续运行MFC,证明PB/PANI/AC电极具有非常好的稳定性。


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