原位利用MFCs产电的新型光电催化体系构建及其废水处理的调控原理研究

Microbial fuel cells (MFCs) is a novel wastewater treatment technology based on the catalysis of microorganism to degrade organic pollutants and generate electricity.The electrode materials play a key role in the power generation and wastewater treatment of MFCs. Photoelectrocatalysis is an enhanced photocatalytic oxidation technology, and can be used to mineralize organic pollutants. Providing electricity of MFCs for photoelectrocatalysis by coupling the two techniques, is expected to achieve co-processing of different pollutants, as well as recycling energy. Therefore, the project aims at electrode materials for MFCs with good conductivity and high biocompatibility to improve the efficiency and capacity of wastewater treatment. Then the performance and regulation of biodegradable waste processed by MFCs will be studied. Meanwhile, high performance materials for photoelectrodes based on TiO2 will also be developed. The factors for refractory organic pollutants processed by the photoelectrocatalysis system will be determined. Then the important impact factors for the novel photoelectrocatalysis system with the use of in-situ power generated by MFCs will be evaluated. Additionally, the feasibility of the novel photoelectrocatalysis system will be investigated by treating wastewater. The research will greatly expand the types, improve efficiency and reduce the cost of wastewater treatment, and provide the guideline and technical support for future applications.

MFCs是利用微生物降解有机污染物同时产生电能的一种新型废水处理技术，其中电极材料对其发电功率和废水处理效果具有关键作用；光电催化技术是一种增强型光催化氧化技术，可利用光电协同作用处理难降解污染物，并将其矿化。若将MFCs产生的电能用于光电催化，通过两种技术的耦合有望实现对不同污染物的协同处理，以及能源的循环利用。因此，本项目拟制备导电性良好、生物相容性高的修饰电极以提高MFCs整体产电效果和废水处理能力，研究MFCs处理可生物降解废水的性能与最佳调控条件。同时制备高性能纳米TiO2复合修饰光电极，考察光电催化对难降解有机污染物可生化性处理的影响因素，确定与MFCs进行耦合的最佳条件，构建原位利用MFCs产电的新型光电催化体系，研究该体系用于实际废水处理的可行性。本研究成果可为拓展废水处理种类，降低废水处理成本，改善水环境质量提供理论依据与技术支持。

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是一种具有良好发展前景的清洁能源生产技术，可在处理废水的同时产生电能，从而节约水处理成本，提高能源利用效率。其中电极材料直接影响着MFC的发电功率和废水处理效果。阳极作为微生物载体，在MFC产电中发挥着重要作用，因此，制备性能优异、成本低的阳极修饰材料是提高MFC产电性能的关键。光电催化技术是一种增强型光催化氧化技术，可利用光电协同作用处理难降解污染物，并将其矿化。若将 MFCs 产生的电能用于光电催化，通过两种技术的耦合有望实现对不同污染物的协同处理以及能源的循环利用。因此，本项目选取具有良好生物相容性的TiO2与电子传递性能优异的Fe进行复合，制备了具有协同效应的阳极修饰材料，通过浸渍法将其负载于碳纤维毡阳极（CF）上，以碳纤维布为阴极基底材料，Pt/C为阴极催化剂，构建了基于不同阳极的单室空气MFC体系（TiO2/CF-MFC、Fe(III)/TiO2/CF-MFC和Fe2O3/TiO2/CF-MFC），其最大功率密度分别为258 ± 19 mW/m2、270 ± 18 mW/m2和275 ± 37 mW/m2，库伦效率分别为19.92%、21.23.%、22.35%；采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等对电极和阳极生物膜进行了表征；研究了不同MFC体系的产电性能和对污染物的降解性能。同时，制备了多种具有良好光电催化性能的纳米复合材料（如TiO2-BiVO4、TiO2-BiVO4-C等）。在以上研究的基础上，构建了基于不同修饰阳极的原位利用MFCs产电的新型光电催化体系，考察了不同耦合方式、外阻、氧气、光照、离子等对2-CP降解性能的影响，耦合体系运行8小时对2-CP的降解率可达到79.46%。本项目研究成果可为拓展污染物处理种类，降低废水处理成本，改善水环境质量提供理论依据与技术支持。