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人类社会的发展离不开能源的使用和开发,但日渐稀少的化石能源和其燃烧后所造成的环境污染问题,已成为各国所面临的棘手问题,因此加大对生物质能源的开发利用已成为当务之急。微生物电化学系统(Microbial electrochemical system,BES)是利用微生物作为电化学反应中的催化剂,将废水中的有机物所包含的化学能或者生物质能转化为电能或生成氢气,这是一项环境友好型产能技术,具有良好的应用前景。一直以来,BES系统的阴极多为使用铂(Pt)作为催化剂的空气阴极或铁氰化钾阴极。Pt作为催化剂成本较高、且催化剂容易被污染;而铁氰化钾需按时更换,实际应用性差。因此如果能将某些具有较高氧化还原电位的废物(如某些重金属离子)作为阴极的电子受体,这将大大提高BES的环境和经济效益。并且现有的BES系统产生的电量及电压均较低,无法满足日常需要,因此如何真正有效地利用BES产生的电能也是研究中的重点和难点问题。基于以上分析,本文以模拟的重金属废水在BES系统中产电的特性及产生的微小电能后续利用的可行性为研究对象,解决了传统BES系统阴极成本过高及产生电能过低难以利用的问题。研究了分别以氧化还原电位较高的Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)作为阴极电子受体的阳离子膜型微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)和阴离子膜型MFC的产电效能,考察了其在不同初始p H和重金属离子浓度下的电压、功率密度和内阻变化情况。并在提高其产电性能的基础上,考察了阴极重金属离子的变化趋势。针对MFC运行过程中阴极液中的离子向阳极室迁移而造成的阳极微生物活性降低的问题,将微生物脱盐燃料电池(microbial desalination cell,MDC)应用于铜、铬强化产电中,分析比较了不同BES系统的产电性能。针对BES系统产能较低,将BES产生的电能用于驱动能耗低的电容去离子技术(Capacitive deionization,CDI),实现了对BES系统产生的能量的进一步利用。针对于现有的MFC利用重金属产电系统中使用的是成本高昂的质子交换膜的问题,主要考察了由应用成本只有质子交换膜1/40的阴阳离子交换膜所构建的MFC,在利用Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)作为阴极电子受体时的产电输出性能。结果表明,p H3.0、初始Cu(Ⅱ)浓度为1000 mg/L时,1000Ω外电阻下的最高电压可达478 m V,相应的电流密度和功率密度分别为243.5 m A/m2和116.4 m W/m2,并且经过长期运行后产电性能稳定。而在使用Cr(Ⅵ)作为阴极电子受体时,当p H2.0,Cr(Ⅵ)浓度为100 mg/L时获得的最高电压可达500 m V以上,但由于p H 2.0时大量的H+由阴极室渗透入阳极室内,造成运行三个周期后MFC处于崩溃状态。当以阴极表面生长有驯化后的微生物为催化剂时,在阴极液p H为6.8~7.0、初始Cr(Ⅵ)浓度为80 mg/L时,电压就可达到490 m V以上,最大电流密度可达250 m A/m2,是p H 7.0非生物阴极时的200倍,并且经过长期的运行后产电性能无改变。通过高通量测序发现,Acinetobacter在属的水平上所占的比例达到23.5%。Acinetobacter不仅具有较高的耐受Cr(Ⅵ)的能力,还能够将Cr(Ⅵ)进行还原。并且在存在阴极生物膜的条件下,MFC的输出电压明显升高,说明Acinetobacter是具有Cr(Ⅵ)还原能力的一类电化学活性微生物。在上述的MFC中,Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)都因得到电子而从溶液中被去除,最高的去除率可以达到99%以上,出水中Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)浓度均小于1 mg/L。这些结果表明,使用重金属离子作为电子受体的MFC不仅可以获得较高的电能输出,还可以对重金属有去除的作用。针对于Cr生物阴极MFC的适应浓度低而非生物阴极Cr-MFC的H+渗透问题,在MFC研究的基础上,进行了MDC系统利用铬、铜强化产电的研究。提出能够以Cr(Ⅵ)作为电子受体的三室微生物脱盐燃料电池(MDC)以及Cu(Ⅱ)作为阴极电子受体的新型四室微生物脱盐电池(FMDC)。结果表明,三室MDC中的CEM可以有效的阻止Cr(Ⅵ)以Cr2O72-的形式进入到其他室内,而AEM能够阻止H+进入到阳极室内,从而达到阳极室的稳定运行。MDC能够在p H 2.0时长期运行,实验中采用的Cr(Ⅵ)浓度范围为100~1000 mg/L,最大电流密度可达1360 m A/m2。而针对Cu(Ⅱ)所构建的FMDC也能够阻止阴极液中的Cl-渗透入阳极室,在外阻为10Ω、初始Cu(Ⅱ)浓度为800 mg/L时,FMDC获得的最大电流密度可以达到2.0A/m2。同等运行条件下的MFC和MDC系统内阻比较发现,MFC的内阻是MDC内阻的50%左右。而内阻越小越有助于BES的电能输出,因此MFC更适合作为电源驱动CDI,对废水中的Cu(Ⅱ)进行吸附去除。单一MFC供电的吸附效果比0.8V直流电源供电时降低了11.5%。当采用BES的串联或并联为CDI供电时,可以显著的提高CDI的电吸附性能。三个MFC并联或串联的情况下CDI对Cu(Ⅱ)的吸附容量都可达到22 mg/g以上,比单一MFC供电时CDI的吸附容量分别提高了20.4%和22.4%。本文研究了BES系统利用Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)产电的特性,在以产电为主的同时,辅以完成脱盐和重金属去除的过程。并且探讨现阶段BES系统产电应用的可行性,用其驱动CDI电极吸附去除废水中的Cu(Ⅱ),取得了较好的处理效果,最终达到了BES系统废物资源化的目的。