文档介绍：西安建筑科技大学硕士学位论文
微生物燃料电池资源化处理含铜废水研究
专业:环境工程
硕士生:李宗伟
指导老师:袁林江教授
摘要
铜矿山开采、冶炼、电镀行业以及电子行业每年排放大量的含铜废水,重金
属铜离子排放对水体、土壤具有很大的危害性。铜本身又是一种贵重金属,从废
水中对其回收具有很高的经济价值。微生物燃料电池(MFC)是利用厌氧微生物为
催化剂将有机物转化为电能的除污产能新技术。将 MFC 应用于含铜废水的处理,
铜离子在阴极被还原、可实现单质铜的回收。因此无论从污水发电、去除废水中
的铜离子、减轻其对水体的污染还是从回收贵重金属单质铜的角度来说,这一探
索都具有重要的理论和实际意义。但目前国内外对这一技术还处于研究中。
课题主要研究不同因素对 MFC 处理含铜废水产电性能和 Cu2+去除效果的影
响,为进一步提高产电性能、Cu2+去除效果及 MFC 处理含铜废水的实际应用提供
指导。本研究采用双室 MFC 装置,阳极室采用模拟生活污水为基质并以厌氧微
生物为催化剂和阴极室以硫酸铜配置的模拟含铜废水作为阴极电解液。主要研究
了阳极室基质浓度和阴极液初始 Cu2+浓度、外加硫酸钠电解质、初始 pH、过氧
化氢浓度以及外接电阻、电极间距变化对产电性能和 Cu2+去除效果的影响;最后
用校园生活污水进行了产电试运行。并初步探讨了(Cu2+、Pb2+、Ag+、Cr6+)四
种重金属离子为电子受体,MFC 产电的差异。
研究结果表明:
(1)为快速启动反应器,阴极采用空气曝气,阴极液以十二水硫酸氢二钠、
二水硫酸二氢钠及氯化钠为电解质,经过半个多月快速启动了微生物燃料电池,
最高输出电压达到 310mV。
(2)COD 在 - 范围内,阳极 COD 浓度越高,Cu2+去除速率
越大,但 COD 去除效率和库仑效率越低,输出电压增加不明显,一定的阴极液
条件下,最高输出功率先随着基质浓度的增加而迅速增大,而后缓慢增加,两者
的关系符合莫诺方程。在阴极液 Cu2+浓度为 1600mg/L,外接电阻为 1000Ω时,
西安建筑科技大学硕士学位论文
2
拟合得到最高输出功率密度为 209mW/m ,半饱和常数 Ks=。
(3)Cu2+浓度在 60-1400mg/L 内,阴极电解液初始 Cu2+浓度越高,产电效果
越好,其自身去除速率越快,但去除效率越低;通过阴极还原组分分析,Cu2+浓
度越高,阴极还原力越低,越不利于单质 Cu 的生成;低浓度初始 Cu2+浓度下,
电池内阻较大,通过外加 Na2SO4 电解质,可明显降低电池内阻,提高低浓度含
铜废液的产电效果。
(4)当 200mg/LH2O2 存在时,输出电压和输出功率较无 H2O2 时明显增高,
2+
但产电前期 Cu 的去除效果明显降低,H2O2 浓度 200mg/时的最大输出功率密度
为相对于 0mg/L 时的最大输出功率密度提高了 %,但电池表观
内阻的降低并不明显。酸性含铜废水 pH 越低,输出功率和电压越高,但 Cu2+去
除速率增加不大。
(5)降低外接电阻,有利于提高输出功率,并能显著提高 Cu2+的去除效率,
外接电阻为 0Ω时,经过 10h,Cu2+的去除率达到了 %;相对于减小阳极与
PEM 间距,减小阴极与 PEM 间距对降低电池内阻、提高产电和 Cu2+去除速率更
为明显,EIS 结果表明,阴极与 PEM 距离减小时,电池内阻的降低主要由电池欧
姆内阻的降低引起的。
(6)通过利用校园生活污水为阳极基质试运行,发现其产电和去除 Cu2+的
效果和采用模拟生活污水相当,说明采用此装置在阳极室处理实际生活污水并同
步阴极还原去除水中的 Cu2+是可行的。
(7)Cu2+、Ag+、Cr6+、Pb2+四种重金属离子为阴极电子受体时,产电效果最
好的是 Cr6+,当初始浓度为 200mg/L 时,最高输出功率密度达到了 270mW/m2,
产电效果最差的是 Pb2+;重金属离子为阴极电子受体的产电效果及金属离子的去
除率随着自身氧化还原性的升高而升高。
关键词:MFC;输出电压;功率密度曲线;极化曲线;Cu2+去除效果;阴极还原
组分
西安建筑科技大学硕士学位论文

Study on the resource of treating wastewater containing
copper with microbial fuel cell

Speciality: Environmental Engineeri