裴孟 科研实践

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1、常州大学科研实践（2013届）题目微生物燃料电池产电以及燃料脱色技术的进展学生裴孟学院环境与安全工程学院专业班级环工091指导教师刘亮专业技术职务讲师二○一三年一月1.1脱色工业的背景染料工业发展迅猛，我国的水环境受到了十分严重的污染。每年大约有1.6亿左右立方米的染料废水排入各类水环境中，而这些染料废水成分较为复杂，表现为浓度高、色度高、难降解物质较多等，且含有多种具有生物毒性或三致性能(致癌、致畸、致突变）的有机物，难以采用常规的处理方法进行处理。尤其是废水中残留的染料组分，即使浓度很低，排入水体亦会造成水体透光率很低

2、，从而最终将导致水体生态系统的破坏。因此，染料工业废水的综合治理问题，已成为国内外环境从业者的一大难题。实践证明，染料废水治理的一般途径是先通过物理，化学预脱色处理，破坏其发色基因，去除生物毒性，提高废水可生化性，然后通过生物处理，最后达到综合治理的目的。国内外对染料废水的物理，化学预处理方法进行了多方面的研究，本文将对此类研究的进展，取得的成果以及发展趋势加以综合论述，为我国染料废水综合处理优化方案的选择提供参考。1.2脱色工业技术类型当前脱色技术主要分为吸附脱色、混凝脱色、化学氯化脱色、离子交换法脱色技术、超混凝脱色技

3、术等。吸附脱色:该脱色方法主要用到的吸附剂包括活性炭吸附、矿物吸附和煤、炉渣吸附剂、天然废料吸附剂。混凝脱色:该脱色方法主要用到的混凝剂包括两大类：无机混凝剂和有机混凝剂。无机混凝剂方面,其中高宝玉研制了一种含金属离子的聚硅酸脱色絮凝剂（PSMA），对染料废水具有良好的脱色效果;对于有机混凝剂，特别是人工合成的高分子絮凝剂，对染料废水则显示出更好的脱色效果。化学氧化脱色:该脱色方法包括臭氧氧化法和H2O2和Fenton试剂法。臭氧氧化法的缺点是对COD的去除效果不好，另外，若废水中存在着杂质，不仅影响脱色效果，而且增加O2

4、的消耗量，相应地提高处理费用。Fenton试剂在染料废水的脱色处理中得到了较好的应用。离子交换法脱色技术:改脱色技术中，其中利用改性纤维素制备成各种离子交换脱色纤维素的研究取得了较大发展。离子交换法也可以用来回收废水中的染料，不过并不经济，所以不普及。超滤膜脱色技术:此类脱色技术，我国的郭维华等用管式超滤器处理和回收土林、分散等染料废水，在压力为0.25Mpa，递量为336—672L/h时，脱色率达98.65%。1.3微生物燃料电池产生的背景当前，解决日趋严重的环境污染问题和探寻新的能源是人类社会能够完成可持续发展的两大根

5、本性问题。微生物燃料电池是利用生物作为生物催化剂将碳水化合物转化为电能的装置。生活和工业污废水中含有的丰富有机物就可以作为其原料来源，从中直接获取电能。因此，微生物燃料电池的研究已经成为治理和消除环境污染源，开发新型能源研究工作者的关注热点。1.4微生物染料电池电池原理与电子转移微生物燃料电池是利用电池的阳极来代替氧或硝酸盐等天然的电子受体，通过电子的不断转移来产生电能。微生物氧化燃料所生成的电子通过细胞膜相关连组分或者通过氧化还原介体传递给阳极，再经过外电路转移到阴极；在阴极区电子将电子受体(如氧)还原，然后透过质子交换

6、膜(PEM)转移过来的质子结合生成水。1.4.1阳极电子转移在微生物燃料电池利用有机物产生电能的整个过程中，起决定作用的是电子在阳极区的传递。1.4.2无介体电子转移实现无介体电子转移，微生物细胞就必须与电极表面形成体接触，这是完成该转移过程的基本条件。1.4.3有介体电子转移有介体电子转移是指，微生物利用可溶性介体将电子从细胞内化合物转移到电极表面的过程。通过向电池内加入甲基紫精N2、中性红和可溶性醌等氧化还原介体，在实现电子转移的同时，还提高了电子转移的速度。1.5电池性能制约因素目前，主要以输出功率作为衡量微生物燃料

7、电池性能优劣的重要标准。输出功率的大小主要取决于电子在微生物和电极之间的转移效率、电极表面积、电解液(阳极液和阴极液以及PEM)的电阻和阴极区的反应动力学等因素。这可归为3类:(1)动力学因素，阳极和阴极反应活化能的因素；(2)内阻的因素，主要来自电解液的离子阻力，电极与接触物质产生的电阻，以及PEM所产生的内电阻；(3)传递因素，反应物到微生物活性位的传质阻力和阴极区电子最终受的扩散。1.5.1动力学因素微生物燃料电池来自动力学制约旧。的主要表现是活化电势较高，致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低，难以获得较高的输出功

8、率。因此，这是研究的关注点之一。其一，尽管选择的菌种在相当程度上影响微生物的富集速度，但并不能最后决定电池的最终输出功率，而起决定性作用的是选择产电效率高的菌种。其二，利用某些菌种可将其它菌种的生成物质作为介体物质的特点，通过选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利作用，也可获