糖蜜废水与电镀废水对微生物燃料电池-产电性能的影响

2012年第4期2012年12月中国甜莱糖业CHlNABEET＆SUGAR2012No．4Dec．2012文章编号：1002—0551(2012)04—0009—04糖蜜废水与电镀废水对微生物燃料电池产电性能的影响邢东，张永娟，李永峰(东北林业大学，哈尔滨150040中国)摘要：用微生物燃料电池处理电镀废水，在产电的同时，还能析出金属单质。实验室采用Cu(NO，)：和AgNO，代替电镀废水作为阴极电子受体，糖蜜废水为阳极底物，碳纸60为电极材料，考察了0．1mol／LCu(NO，)2和0．05mol／LAgNO，对电池产电性能的影响。结果表明：在667h，Cu(NO，)：作为阴极电子受体，最大输出电压达到105．1mV，最高功率输出密度0．50mW／cm2，而AgNO，作为电子受体在787h时，输出电压达到最大值120．2mV，最高功率输出密度仅为0．41mW／cm2。研究表明，重金属离子可以作为微生物燃料电池的阴极电子受体，微生物燃料电池(MFC)可以直接将有机废水中的化学能直接转化为电能，同时将重金属还原，具有显著的环境效益和经济效益。关键词：微生物燃料电池(MFC)；电镀废水；Cu(NO，)2；AgNO，；质子交换膜中图分类号：TS249．3文献标识码：Adoi：10．3639／j．issn．1002—0551．2012．04．0021前言微生物燃料电池(microbialfuelcell，简称MFC)是一种产生电能的新方法，利用细菌通过生物产生生物电能。MFC技术完全不同于普通废水处理方法，此技术从废水中获得能量，这些能量以电能和氢气的形式存在，而不是消耗电能。早在1910年，英国植物学家Potter首次发现了细菌的培养液能够产生电流，他用铂作电极，将其放进大肠杆菌和普通酵母菌培养液中，成功制造出了世界第一个MFC。40多年之后，美国空间科学研究促进了MFC的发展，他们利用宇航员的尿液和活细菌制造了一种能在外太空使用的MFC，不过放电率极低。20世纪80年代后，因广泛使用电子传递中间体而提高了功率的输出。20世纪90年代起，利用微生物发电的技术出现了较大突破，出现了用污水为底物的新型MFC，可以在对污水进行生物处理的同时获得电能。进入2l世纪后，随着直接将电子传递给固体电极受体的微生物的发现pJ，使得MFC迅速成为环境领域研究的热点，MFC技术不断获得突破。Lovley【4'51等人和Logan∞一训等人在电池结构、电极材料等方面进行了不断地改进；Kim¨132]等人在电子产生与传递机理及微生物种群的关系及演变方面做了大量的基础研究工作。鉴于全球能源短缺及污染的日益严重，MFC绿色技术具有潜在的重要应用前景。本研究在前入研究的基础上，研究不同电镀废水对微生物燃料电池产电性能的影响。主要是利用糖蜜废水作为阳极，电镀废水作为阴极，组成微生物燃料电池。将电镀废水作为阴极的微生物燃料电池，有以下优点：①阴极产物为电镀，可将其回收再利用，且没有二次污染；②MFC的结构简单，相比传统的耗能污水处理工艺有效降低了运行成本；③可同时处理有机废水和电镀废水，并获得电能。2材料与方法苎苎詈曼：，±海!妻童科技攻关项目：071605122)．国家高技术研2．1MFC的基本结构究发展计划863项目(2006AA052109)⋯一。⋯’作者简介：邢东(1987一)，男，在读硕士。MFC基本结构示意图见图1。两电极间有一。通信作者：李永峰(1961一)，男，教授，主要从事环境工程与生物质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，简称能源方面的研究。drlyf@163．cornPEM)形成两个分开的极室，既可以将氧气与细菌万方数据10中国甜菜糖业第4期分开，又不影响质子的传递。细菌生长在阳极糖蜜废水中，阴极装有电镀废水，中间有质子交换膜相隔，两极由含负载的外电阻连接。阳极图1微生物燃料电池基本结构示意图Figure1BasicstructureofMFC阴极2．2实验材料东丽牌碳纸60，厚度：0．19mm；质子交换膜Nation117，杜邦；可调式1kQ电阻，导线若干；糖蜜玉棠牌；NH。C1(分析纯)国药集团化学试剂有限公司；AgNO，(分析纯)国药集团化学试剂有限公司；Cu(NO，)：·3H：O(分析纯)国药集团化学试剂有限公司。2．3功率密度的计算功率密度P(mW／cm2)按照式(1)计算：P=UI／A=U2／RA(1)式中：U(mV)：电压；I(斗A)：电流；R(Q)：电阻；A(cm2)：电极阳极的有效面积。2．4污泥驯化实验用接种污泥来源于生活污水排放沟的底泥。将其过滤、沉淀、淘洗后，在厌氧条件下保存，向内投加红糖废水进行培养驯化。阴极的电镀废水为自配的模拟废水，配置成0．1mol／LCu(N03)2和0．05mol／LAgN