基于聚苯胺及碳納米修飾材料的微生物電解池對(duì)高氯酸鹽的降解研究.pdf

1、高氯酸鹽具有穩(wěn)定性好，溶解度高，難被礦物質(zhì)表面或者活性炭吸附的特點(diǎn)，對(duì)人體的危害主要表現(xiàn)在對(duì)甲狀腺功能的破壞，目前其已經(jīng)成為新型持久性污染物。本實(shí)驗(yàn)采用生物電解池技術(shù)，以陰極作為高氯酸鹽還原菌的電子供體，進(jìn)行生物電化學(xué)還原高氯酸鹽的研究，并通過(guò)采用導(dǎo)電聚合物和納米材料對(duì)石墨陰極表面進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極的優(yōu)化，考察納米復(fù)合材料修飾陰極對(duì)生物電解池修復(fù)效果的影響機(jī)制。
　　通過(guò)電化學(xué)方法制備了不同納米復(fù)合材料修飾電極，并對(duì)不同修飾電極

2、材料的電化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比研究，采用FI-IR，Raman等表征手段對(duì)這些納米復(fù)合材料進(jìn)行表征。
　　通過(guò)研究不同電極材料在不同條件下的循環(huán)伏安曲線可以得出，納米修飾電極具有良好的電化學(xué)性質(zhì)。膜內(nèi)高氯酸根離子的傳輸主要受擴(kuò)散控制，并且遵循半無(wú)限擴(kuò)散規(guī)律。高氯酸根離子更容易在N-H鍵附近富集，并且摻雜后的膜可以阻止其他離子的富集。因此，高氯酸根在電極附近的離子交換機(jī)理主要包含三方面:1）高氯酸根易在修飾電極表面發(fā)生富集;2）在氧化還

3、原電位下，發(fā)生高氯酸根離子的摻雜與脫摻雜反應(yīng);3）摻雜后，高氯酸根在膜內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。
　　與PANI修飾電極相比，GR，CNT的摻雜使修飾電極的氧化還原峰電位負(fù)移，有利于高氯酸根的摻雜與脫摻雜過(guò)程，主要原因有兩方面:1)GR、CNT的摻雜可以提高電極的導(dǎo)電性，有利于電極表面的電子傳輸;2)GR與CNT的摻雜使電極比表面積增大，電極表面更加粗糙，有利于高氯酸根離子的進(jìn)入。同時(shí)，與PANI修飾電極相比，GR、CNT摻雜后，電極峰電位差變小

4、，可逆性提高，穩(wěn)定性增強(qiáng)。
　　在無(wú)膜微生物電解池(MEC)中，外加電場(chǎng)作為唯一電子供體，高氯酸鹽還原效果良好，最高還原效率可達(dá)1.75mg/L。PANI的多孔性，優(yōu)良的導(dǎo)電性和良好的生物親性可以促進(jìn)生物膜的形成。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在懸浮污泥中可以觀察到類似納米導(dǎo)線結(jié)構(gòu)。推測(cè)，當(dāng)外加電場(chǎng)作為唯一電子供體時(shí)有利于納米導(dǎo)線的生成，陰極表面形成生物膜的主要作用是加速電子傳遞。系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)分析表明，懸浮污泥中高氯酸鹽還原菌PCRB屬于B-變形菌屬

5、，并且與Azospiraoryzaestrain DSM13638親緣關(guān)系最為接近。
　　GR與CNT的摻雜，可以提高M(jìn)EC對(duì)高氯酸根離子的降解效果，這主要有兩個(gè)原因:1）GR、CNT良好的導(dǎo)電性有利于MEC中的胞外電子傳遞，有利于電極表面的電子傳遞，促進(jìn)高氯酸根離子的還原;2）GR與CNT的摻雜使電極表面更加粗糙，孔隙度增大，有利于高氯酸根離子的吸附。與PANI-CNT修飾陰極MEC相比，PANI-GR修飾陰極MEC的高氯酸鹽降