英科学家发明基于微生物燃料电池的电絮凝工艺

时间：2019-04-09 11:02:36 来源：IWA国际水协会 作者：

此前很少关于活性阴极的形态学研究。为了研究阴极电解液对阴极表面的作用，研究人员用扫描电镜对电极进行观察。如上图所示，活性炭是氧化还原反应（ORR）的优先催化区域，因为微孔提供了充足的表面积，而气体扩散层充满了空隙空气，PTFE材料聚集了部分碳纤维。

这样能有效为活性炭曾提供氧气，而且可以将阴极电解液有效从活性区运输出去并进行积累。这说明氧气自由地通过疏水性的气体扩散层进入活性炭层，直接接触膜和电解质。传质过程取决于阴极的氧气吸附和水分子的脱离效果，这可以通过疏水性的气体扩散层的中空表面实现。

阴极电解液沉淀金属

生成的阴极电解液（pH为11.23, 电导率为24 mS/cm）用作凝结剂沉淀氯化铁、硫酸铜和氯化锌，并与去离子水溶液做对比。其絮凝沉淀效果如下图所示。

MFC生成的阴极电解液对三种离子的沉淀情况对比

氢氧化物沉淀利用了许多金属化合物的可溶性随pH的增强而减弱。烧碱（NaOH）是一种常见的沉淀剂。研究团队已经用相同的赤陶MFC生成的阴极电解液去溶解藻类。含有溶解性污染物的污水可以通过氢氧根离子去除，原理就是生成不溶性的金属氢氧化物。这些赤陶圆柱体反应器已经中试测试里证明它们可以作为MFC膜来从尿液中生成电能，而且经济有效。

以尿液为底物生成的阴极电解液

为了进一步验证这项工艺处理实际污水的可行性，研究团队用人的尿液作为底物进行了测试。下图是其运行表现，结果显示功率生成水平与使用乙酸的情况相当。

进料改为人尿后的变化和运行表现：红色箭头显示的是尿液的进料时间点

研究人员同样从内室收集阴极电解液进行沉淀测试，pH和电导率情况如下图所示。实验结果与此前相关研究结果相符。

为了防止阴极污染，研究人员使用异位法来测试阴极电解液的沉淀效果，并用阳极电解液作阳性对照，新鲜尿液和去离子水作为阴性对照。结果显示在铁离子和锌离子的测试中，使用阴极电解液的沉淀效果最好。尽管在铜离子的测试中没有形成沉淀，但颜色变化很明显，这也说明发生了化学反应，但具体原因仍有待进一步调查。他们猜测一个可能原因是硫酸铜和氢氧化铵的反应少量的氢氧化铵加入硫酸铜的时候回形成氢氧化铜沉淀，但更多的氢氧化铵会将溶解氢氧化铜，形成鲜蓝色的复合离子，很可能是四氨合铜(Cu(NH3)42+)。

用阴极电解液、阳极电解液、尿液和去离子水作为沉淀剂的沉淀效果对比（a为氯化铁，b为硫酸铜，c为氯化锌）

传统的矿物质回收需要制备酸性和碱性化合物，这要耗费大量的能源，而且还造成更多的二氧化碳排放。在碱制备方面，MFC似乎是一项具有前景的可持续碳中和技术。电导率和盐度的相关性与电解液离子的浓度有关。因为有高浓度的矿物离子和代谢物，尿液是具有良好导电性的底物。研究团队表示，在之前的研究里陶瓷作为MFC反应器的理想材质，已经外阴极和内阴极的构型中都得到验证；而且它也用于微滤和电解等电化学工艺。这是由于陶瓷材料的耐固性和物理化学稳定性，技术的发展可以帮助它成为更具经济效益的材料选择。MFC工艺与电解功能的结合对自动化的分散式污水处理也很有吸引力。他们认为未来的研究内容包括可回收离子的量化以及原位沉淀测试等。

小结

这份报告介绍了MFC驱动的创新性电凝工艺，可以用自身产生的能量净化污水的同时回收金属污染物（铜、锌、铁）。 它在能量自给和资源回收方面的优势为它进一步的研究提供了重要动力。这也为其他电化学技术在污水处理的应用提供了参考。

参考资料

Microbial fuel cell e A novel self-powered wastewater electrolyser for electrocoagulation of heavy metals, Gajda, A. Stinchcombe, J. Greenman, C. Melhuish, Ioannis Ieropoulos, International Journal of Hydrogen Energy 42(2017) 1813e1819

State of the Art Compendium Report on BioCluster Activities, IWA and ISME

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