微生物燃料电池在多孔介质中处理重金属铬废水的研究-杨方.docx

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1、单位代码： 1 0 35 9 学 号：201011181081 分类号 ：X703-1 密 级： Hefei University of Technology 硕士学位论文 MASTER DEGREE THESIS i 仑文题目：微生物燃料电池在多孔介质中处理重金属铬废水的研究 学位类别： 学历硕士 学科专业： 环境科学 (工程领域） 作者姓名： # # 导师姓名： 汪家权教授 完成时间： 2013年 04月 微生物燃料电池在多孔介质中处理重金属铬废水的研宄 Study on treating chromium wasterwater in porous medium microbial fu

2、el cell 作 者 姓 名 杨方 学 位 类 型 学历硕士 学 科、 专 业 环境科学 研 宄 方 向 环境规划与管理 导 师及职 称 汪家权教授 2013 年 4 月 合 肥 工 业 大 学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业 大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： （ 工作单位、职称 ） 主席 : 委员 : 导师 : 安徽大学 合肥工业大学 合肥工业大学 合肥 工 业 大 学 合 肥 工 业 大学 合肥工业大学 教授 教授 教授 教授 教授 教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行大量的研宄工作后所取得的研宄成果。除了 文中特别加以标注和致谢的地

3、方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研宄成果，也不包 括为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 学对本研宄所做的贡献均己在论文中作了明确的说明，在此向他们表示谢意。 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 合肥工业大学 可 以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签字 : 签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权

4、书 导师签名 : 签字日期： 年月曰 签字日期： 年月日 学位论文作者毕业后去向 : 工作单位 : 通讯地址 : 微生物燃料电池在多孔介质中处理重金属铬废水的研宄 摘 要 本文介绍了微生物燃料电池 （ MFC)的基本原理和最新研宄进展。构建了 多孔介质阴极的双室微生物燃料电池来处理重金属铬废水，考察了开闭路体系、 阳极基质COD 浓度、阴极液 Cr(VI)浓度和 pH、 负载电阻、环境温度对 MFC 降解 Cr(VI)效果和产电性能的影响。并在此基础上探求多孔介质型微生物燃料 电池同步处理重金属铬废水和苯酚废水的能力，考察了开闭路体系、阳极基质 种类、阳极苯酚浓度对 MFC降解 Cr(VI)、

5、 苯酚效果和产电性能的影响。本文 旨在探宄多孔介质型 MFC 处理 Cr(VI)废水的机理和最佳运行条件，并探求其 应用于地下水环境中 Cr(VI)废水原位生物修复的可行性。本文主要结论如下： 1. 多孔介质型双室微生物燃料电池处理六价铬废水时，电池在闭路情况下， Cr(VI)的降解率较开路情况下提升了 20.7%， Cr(VI)的平均还原速率较开路情况 下提升了 O.Umg + L-1.!-1， COD 去除率略高于开路双室 MFC 体系。说明电化学 体系对Cr(VI)和 COD 的降解有促进作用，证明本实验利用多孔介质型 MFC 来 处理六价铬废水是可行的。 2. 本实验构建的多孔介质型双

6、室 MFC 能在阴极处理 Cr(VI)废水，并同步获 得输出电压。通过一系列实验，得到本实验构建的双室 MFC 的最佳运行条件 为：阳极初始 COD 浓度为 1000mg/L， 阴极进水 pH=2， 负载外电阻为 1000Q， 环境温度为25 C。 3. 通过处理模拟 Cr(VI)地下废水，得出本实验构建的双室 MFC 能在地下水 环境温度下稳定运行，对较高浓度的酸性 Cr(VI)废水的处理效果和产电性能均 高于同等条件下的碱性 Cr(VI)废水。所以在实际应用中，本实验构建的双室 MFC 更适合处理较高浓度的酸性 Cr(VI)地下废水。 4. 多孔介质型双室微生物燃料电池同步处理六价铬和苯酚

7、废水时，电池在 闭路情况下， Cr(VI)的降解率和苯酚的去除率较开路情况下均有大幅提升，分 别增加了 20.3%和 29.4%。说明电化学体系对六价铬和苯酚的降解有促进作用， 证明本实验利用 MFC 来同步处理 Cr(VI)和苯酚废水是可行的。 5. 以 419mg/L 苯酚作为碳源的双室 MFC 能获得连续输出电压，在 168h 内 获得的最大电压为 205mV， 证明以苯酚为碳源的双室 MFC 在处理废水的同时 能获得输出电压，但获得的输出电压大大低于同等条件下以乙酸钠为碳源的 MFC， 说 明以单一易降解的物质为碳源时 MFC的产电性能更为优越，所以在 提升以苯酚为碳源的双室 MFC的

8、产电性能方面需要进一步的研宄。 本文研宄结果表明：利用多孔介质型微生物燃料电池来处理含铬废水和苯 酚废水是可行的。微生物燃料电池在降解 Cr(VI)的同时能去除苯酚，并同步产 电。多孔介质型 MFC 作为新型的微生物燃料电池，在地下水污染原位修复方 面具有良好的前景和发展潜力。 关键词：微生物燃料电池；多孔介质；六价铬；苯酚；产电 Study on treating chromium wasterwater in porous medium microbial fuel cell Abstract This paper introduced the development of Microbi

9、al Fuel Cell (MFC), principal and the latest research process.A tow-chamber porous medium MFC was established to treat chromium wastewater.The effects of Cr (VI) removal and electricity generation were investigated.Factors about open and closed circuit, COD concentration, Cr (VI) concentration, pH o

10、f catholyte, external resistance, ambient temperature, and so on.On the basis of this MFC, a MFC with phenol as the anode substrate had been successfully constructed.The effects of Cr (VI) and phenol removal and electricity generation were investigated.Factors about open and closed circuit, kind of

11、anode substrate, phenol concentration.The experiment was to study mechanism and the optimum operating condition of treating Cr (VI) wastewater. At the same time, the experiment was to explore the feasibility of its application in situ bioremediation of Cr (VI) wastewater in the groundwater environme

12、nt.The main conclusions are as follows: 1. In closed circuit, the degradation rate of Cr (VI) was increased 20.7%, the average reduction rate was increased 0.12 mgL-1h-1, the removal rate of COD was slightly higher than that in open circuit. It explained that electrochemical system had promoting eff

13、ect in the degradation of Cr (VI) and COD. It is feasible to use MFC to treat Cr (VI) wastewater. 2. The tow-chamber MFC can treat Cr (VI) wastewater at the cathode, and the output voltage can be obtained simultaneously. Through a series of experiments, the best operating conditions of this MFC can

14、be obtained. It is 1000 mg/L COD(initial anode concentration), pH=2( catholyte) , 1000Q(external resistance), 25(ambient temperature). 3. Through treating simulated Cr (VI) wastewater, it concluded that the MFC can be operated steady in ambient temperature of groundwater. But the higher treatment ef

15、fect and electricity generation can be obtained when the catholyte was high concentration acidic Cr (VI) wastewater. So in actual application, this MFC is more suitable for the treatment of acidic Cr (VI) wastewater in relatively high concentrations. 4. In closed circuit, the removal rates of Cr (VI

16、) and phenol were increased by 20.3% and 20.3% respectively. It explained that electrochemical system can promote the degradation of phenol. So it is feasible to use MFC to treat Cr (VI) and phenol wastewater simultaneously. 5. With 419 mg/L phenol as carbon source, MFC can obtain continuous electri

17、city production. Within 168 h, the maximum output voltage was 205 mV. It proved that this MFC can treat phenol wastewater and obtain output voltage meanwhile. But the output voltage was much lower than the same condition with sodium acetate as carbon source. It explained that the production performa

18、nce of the MFC which used single easily degradable materials as carbon source. So it needs further research to promote the production performance of this MFC. The research results showed that using porous medium microbial fuel cell to treat Cr (VI) and phenol wastewater is feasible. MFC can degradat

19、e Cr (VI) and phenol, and obtain the output voltage. As a new type of MFC, porous medium microbial fuel cells have good prospects and development potential in situ repairmen of the groundwater pollution. Keywords： Microbial fuel cell; Porous medium; Cr (VI); Phenol; Power generation 致 谢 本人在硕士课程学习和科研

20、学习的过程中，得到了导师汪家权教授的悉心 指导和大力支持，汪老师丰富的学识、严谨踏实的科学态度、一丝不苟的作风 及敏锐的洞察力都给我留下了深刻的印象，不仅给我提供学习和实践的机会， 还教会我学习做人的态度，让我在硕士阶段成长许多，终生受益。在此特向导 师表达最诚挚的感激之情，并致以最崇高的敬意，祝恩师幸福安康，桃李满天 下！ 感谢资环学院孙世群院长、彭书传院长、陈少华、程建萍等老师对我的教 育培养，他们细心指导我的学习与研宄。感谢胡淑恒老师在论文提交和答辩过 程中给予我的帮助。还要感谢我院实验室的李云霞等老师为我提供了良好的研 宄条件。在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。感谢各位老师一直以来对

21、我 的悉心栽培和谆谆教诲，他们的帮助指导为我今后向更高目标迈进夯实了基础。 感谢我同门的兄弟姐 妹童君君、程婷、邓瑞等对我的学习及生活的关心和 帮助。非常珍惜在一起愉快度过研宄生生活的各位同门，和他们一起度过的时 光是我研宄生期间最为美好的回忆，从他们的身上我学到了很多从书本上学习 不到的道理，祝他们事业有成、一切顺利。 最后，感谢我的父母及家人对我的理解与支持。 作者：杨方 2013年 4 月 26 日 .1 .1 .1 .2 .2 .4 .4 .5 .6 .7 .7 .7 .8 .8 .8 .9 10 10 11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 14 14 14 14

22、 14 14 16 目 录 绪论 . 问题概述 . 微生物燃料电池简介 . MFC 国内外研宄进展 . 1.3.1 MFC 底物 . 1.3.2 MFC 阴阳极材料 . 1.3.3 微生物 . 1.3.4 MFC 的构造 . 1.3.5 MFC 的影响因素 . MFC 处理含 Cr(VI)废水研宄进展 . 1.4.1 Cr(VI)的来源及危害 . 1.4.2 处理含 Cr(VI)废水的研宄概况 . 本课题的研宄目的 . 本课题的研宄内容及技术路线 . 1.6.1 研宄内容 . 1.6.2 技术路线 . 实验材料与分析方法 . 实验装置 . 实验材料 . 2.2.1 药品和试剂的配制 . 2.2.3 多孔介质 . 2.2.2 质子交换介质 . 2.2.3 接种污泥 . 2.2.4 电极材料 . 2.2.5 实验器材 . 分析方法 . 2.3.1 主要检测方法 . 2.3.2 SEM (扫描电子显微镜）样品预处理方法 电池性能评价指标 . 2.4.1 电压 . 2.4.2 MFC 内阻 . 2.4.3 极化曲线 . 2.4.4 功率密度曲线 . 2.4.5 库仑效率 . 双室微生物燃料电池处理六价铬废水研宄 .