【摘 要】
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含重金属（铅、铬和汞等）废水的污染和能源短缺问题仍然是当今社会发展亟待解决的重要环境问题。微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）是一种很有前途的新兴生物电化学技术,以一种可持续的方式满足废水处理和能源生产的双重目标。本研究通过改变双室MFCs电极极距间的位置,负载不同的纳米级阴极催化剂和探索MFCs阳极菌群多样性研究,实现双室MFCs阴极还原六价铬和同时产电的目的。获
【基金项目】
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国家重点研发计划重点专项-西部典型缺水地区农村供水排水一体化技术及应用示范（No.2016YFC0400708）
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含重金属（铅、铬和汞等）废水的污染和能源短缺问题仍然是当今社会发展亟待解决的重要环境问题。微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）是一种很有前途的新兴生物电化学技术,以一种可持续的方式满足废水处理和能源生产的双重目标。本研究通过改变双室MFCs电极极距间的位置,负载不同的纳米级阴极催化剂和探索MFCs阳极菌群多样性研究,实现双室MFCs阴极还原六价铬和同时产电的目的。获得的研究成果和总结如下:在MFCs中构建不同的电极极距位置,同时考察Cr（VI）还原特性和生物电释放的影响。通过电化学性能测试发现MFC-2的最大功率密度达到535.4 m W/m~2,是MFC-4（171.3 m W/m~2）的3.13倍。结果表明电极间距在MFC中的重要性。当微生物燃料电池反应器反应达到11 h时,MFC-2中的Cr（VI）完全还原降解,MFC-2（78.25%）的COD去除率比分别为MFC-1（68.82%）、MFC-3（61.67%）和MFC-4（39.85%）的1.14、1.27和1.96倍。在阳极菌种多样性方面可知,总细菌占有的比例均在60%以上,不同的电极极距MFCs的微生物多样性相近。MFC电极位置的改变可以选择性地富集产电菌。通过调节阳极MFC电极位置,可实现同时发电和存储的能力。研究采用简易的水热合成法成功制备不含贵金属的新型WS2/WMCNTs复合纳米材料。复合材料与纯的WS2纳米片,以及单一的WMCNTs负载在双室微生物燃料电池碳布阴极作为阴极催化剂,开展对六价铬的还原及电化学产电性能的研究。通过研究不同阴极负载材料MFCs的功率输出性能,发现最大输出功率密度的排序为:WS2/WMCNTs(141.87m W m-2)>WS2(114.85m W m-2)>WMCNTs(69.87m W m-2)。说明WS2/WMCNTs复合纳米材料都比单一的WS2纳米材料或WMCNTs的电化学性能更高,电催化活性更好。对这些负载不同催化剂MFCs的Cr（VI）还原性能进行了评估,发现WS2/WMCNTs复合纳米材料在MFCs中的Cr（VI）去除率为77.3%,纯的WS2纳米材料的去除率为69.4%和纯的WMCNTs纳米材料去除率为64.6%。证明WS2/WMCNTs复合纳米材料都比单一的WS2纳米材料或WMCNTs的产电性能更好,更能促进六价铬在微生物燃料电池中的还原。这些结果表明WS2/WMCNTs复合纳米材料在MFC阴极催化剂中具有一定的应用前景。通过宏基因组测序技术对微生物燃料电池阳极生物膜上的微生物进行了一系列的鉴定,分析微生物在燃料电池阳极上的微生物群落及物种的多样性;探索样本与物种之间的关系以及微生物间的相互关系。通过对单一样品的多样性分析,并结合Alpha多样性指数包括Sobs,Chao,ACE,Shannon,Simpson,Coverage等,基于统计学分析指数,获得微生物群落的丰富度和多样性。
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