英科學家發明基于微生物燃料電池的電絮凝工藝

時間：2019-04-09 11:02:36 來源：IWA國際水協會 作者：

此前很少關于活性陰極的形態學研究。為了研究陰極電解液對陰極表面的作用，研究人員用掃描電鏡對電極進行觀察。如上圖所示，活性炭是氧化還原反應（ORR）的優先催化區域，因為微孔提供了充足的表面積，而氣體擴散層充滿了空隙空氣，PTFE材料聚集了部分碳纖維。

這樣能有效為活性炭曾提供氧氣，而且可以將陰極電解液有效從活性區運輸出去并進行積累。這說明氧氣自由地通過疏水性的氣體擴散層進入活性炭層，直接接觸膜和電解質。傳質過程取決于陰極的氧氣吸附和水分子的脫離效果，這可以通過疏水性的氣體擴散層的中空表面實現。

陰極電解液沉淀金屬

生成的陰極電解液（pH為11.23, 電導率為24 mS/cm）用作凝結劑沉淀氯化鐵、硫酸銅和氯化鋅，并與去離子水溶液做對比。其絮凝沉淀效果如下圖所示。

MFC生成的陰極電解液對三種離子的沉淀情況對比

氫氧化物沉淀利用了許多金屬化合物的可溶性隨pH的增強而減弱。燒堿（NaOH）是一種常見的沉淀劑。研究團隊已經用相同的赤陶MFC生成的陰極電解液去溶解藻類。含有溶解性污染物的污水可以通過氫氧根離子去除，原理就是生成不溶性的金屬氫氧化物。這些赤陶圓柱體反應器已經中試測試里證明它們可以作為MFC膜來從尿液中生成電能，而且經濟有效。

以尿液為底物生成的陰極電解液

為了進一步驗證這項工藝處理實際污水的可行性，研究團隊用人的尿液作為底物進行了測試。下圖是其運行表現，結果顯示功率生成水平與使用乙酸的情況相當。

進料改為人尿后的變化和運行表現：紅色箭頭顯示的是尿液的進料時間點

研究人員同樣從內室收集陰極電解液進行沉淀測試，pH和電導率情況如下圖所示。實驗結果與此前相關研究結果相符。

為了防止陰極污染，研究人員使用異位法來測試陰極電解液的沉淀效果，并用陽極電解液作陽性對照，新鮮尿液和去離子水作為陰性對照。結果顯示在鐵離子和鋅離子的測試中，使用陰極電解液的沉淀效果最好。盡管在銅離子的測試中沒有形成沉淀，但顏色變化很明顯，這也說明發生了化學反應，但具體原因仍有待進一步調查。他們猜測一個可能原因是硫酸銅和氫氧化銨的反應少量的氫氧化銨加入硫酸銅的時候回形成氫氧化銅沉淀，但更多的氫氧化銨會將溶解氫氧化銅，形成鮮藍色的復合離子，很可能是四氨合銅(Cu(NH3)42+)。

用陰極電解液、陽極電解液、尿液和去離子水作為沉淀劑的沉淀效果對比（a為氯化鐵，b為硫酸銅，c為氯化鋅）

傳統的礦物質回收需要制備酸性和堿性化合物，這要耗費大量的能源，而且還造成更多的二氧化碳排放。在堿制備方面，MFC似乎是一項具有前景的可持續碳中和技術。電導率和鹽度的相關性與電解液離子的濃度有關。因為有高濃度的礦物離子和代謝物，尿液是具有良好導電性的底物。研究團隊表示，在之前的研究里陶瓷作為MFC反應器的理想材質，已經外陰極和內陰極的構型中都得到驗證；而且它也用于微濾和電解等電化學工藝。這是由于陶瓷材料的耐固性和物理化學穩定性，技術的發展可以幫助它成為更具經濟效益的材料選擇。MFC工藝與電解功能的結合對自動化的分散式污水處理也很有吸引力。他們認為未來的研究內容包括可回收離子的量化以及原位沉淀測試等。

小結

這份報告介紹了MFC驅動的創新性電凝工藝，可以用自身產生的能量凈化污水的同時回收金屬污染物（銅、鋅、鐵）。 它在能量自給和資源回收方面的優勢為它進一步的研究提供了重要動力。這也為其他電化學技術在污水處理的應用提供了參考。

參考資料

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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