基于蒽醌类物质作为电子中介体的MFC产电及其除污效果的研究

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微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种利用细菌将有机物转化为电能的新技术。阳极电子转移是限制MFC产电效率的重要影响因素,而电子中介体(Electron Mediators,EMs)可加快电子转移,提升MFC产电性能。蒽醌类中药广泛存在于自然,富含具有作为EMs潜能的蒽醌类化合物,蒽醌类化合物的氢醌基和醌基的氧化还原转化可实现介导电子转移。蒽醌类中药不仅环境友好,且可持续缓释EMs。因此,本研究在考察蒽醌类物质的电化学活性基础上,将其作为MFC的EMs,探究其对MFC的产电和除污效能的影响。主要研究内容和结果如下:(1)采用循环伏安法和抗氧化能力测试对蒽醌类物质进行电化学活性分析,辅以傅里叶红外光谱技术分析中药预处理前后官能团变化,确定蒽醌类中药预处理方式。蒽醌类物质的循环伏安曲线出现准可逆氧化还原峰,表明蒽醌类物质具有作为EMs的潜能;经2%酸处理,中药释放电化学活性物质能力显著增强,且2%酸处理大黄粉末介导电子穿梭能力最强。(2)未经预处理和2%酸处理中药添加至MFC均可提升系统产电性能,且大黄组和茜草组表现最佳。添加0.25 g/L未处理中药时,大黄组和茜草组序批周期电压持续时间延长,库伦效率(Coulomb efficiency,CE)分别比空白组提高91.62%和67.27%,其中大黄组具有最大功率输出(20.16 W/m3)和最低内阻(50Ω)。经酸处理,0.05 g/L添加浓度下,大黄组和茜草组产电提升较添加0.05 g/L和0.25 g/L未预处理中药时均更为显著,CE分别较空白组提升125.78%和72.09%;当添加浓度过高时(0.25 g/L),大黄组和茜草组电压出现严重波动,但系统仍维持较长电压持续时间,较茜草素组(茜草素作为EM)表现出更强的耐毒性冲击。理论分析表明,蒽醌类化合物介导电子转移的作用官能团为醌基或邻对位酚羟基。(3)微生物群落结构分析表明,大黄组MFC阳极生物膜有最高的微生物丰富度和多样性,与其产电性能最优相吻合,其中Aeromonas气单胞菌是优势产电菌属。添加EMs对MFC系统COD去除率影响较小;阳极NH4+-N电化学迁移被强化,NH4+-N去除率提高。(4)蒽醌类中药废水同时作为MFC的阳极底物和电子中介体时,在低电阻高电流下,系统产电性能得以显著提升(43.03%)。基于“以废治污”理念,以蒽醌类中药废水作为活性红2脱色共基质,染料脱色效果有所提升,且阳极微生物有较高丰富度和多样性,Dechloromonas脱氯单胞菌为系统高效脱色菌。
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