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微生物燃料电池还原Cr（Ⅵ）及驱动微生物电解池去除Pb（Ⅱ）的研究

1.引言

1.1研究背景与意义

随着工业化和城市化的快速发展，水体中重金属污染问题日益严重。其中，铬（Cr）和铅（Pb）作为典型有害物质，对环境和人体健康造成了极大威胁。传统的水处理方法如吸附、化学沉淀等在处理这些重金属时存在一定局限性，如处理效率低、成本高、易产生二次污染等。因此，开发一种高效、环保的水体重金属处理技术具有重要意义。

微生物燃料电池（MicrobialFuelCell,MFC）和微生物电解池（MicrobialElectrolysisCell,MEC）作为一种新型的生物电化学技术，不仅能够有效去除水体中的有机污染物，还能实现重金属的还原与去除。本研究旨在探讨微生物燃料电池还原Cr（Ⅵ）及驱动微生物电解池去除Pb（Ⅱ）的可行性及效果，以期为重金属污染处理提供一种新的技术途径。

1.2微生物燃料电池与微生物电解池概述

微生物燃料电池（MFC）是一种利用微生物作为催化剂，将有机物中的化学能转化为电能的装置。在MFC中，微生物通过代谢有机物产生电子，电子经过外部电路传递到阳极，最终与氧化剂反应。微生物电解池（MEC）则是MFC的一种变体，其主要区别在于MEC在阴极处施加外部电压以实现电子的回收。

这两种技术均具有处理污染物的同时产生能量的优点，但其在重金属处理方面的应用尚处于探索阶段。本研究将通过构建MFC和MEC体系，探讨其在还原Cr（Ⅵ）和去除Pb（Ⅱ）方面的应用潜力。

1.3研究目标与内容

本研究的主要目标是探讨微生物燃料电池还原Cr（Ⅵ）及驱动微生物电解池去除Pb（Ⅱ）的可行性，优化相关工艺参数以提高处理效率。具体研究内容包括：

构建MFC和MEC体系，研究其对Cr（Ⅵ）和Pb（Ⅱ）的处理效果；

分析不同操作条件对MFC和MEC处理效果的影响，优化工艺参数；

探讨MFC和MEC体系中微生物群落结构及其与重金属处理效果之间的关系；

对比MFC和MEC处理Cr（Ⅵ）和Pb（Ⅱ）的效果，评估其应用前景。

通过以上研究，旨在为微生物燃料电池和微生物电解池在重金属污染处理领域的应用提供理论依据和实践指导。

2微生物燃料电池还原Cr（Ⅵ）的研究

2.1实验材料与方法

本研究采用的微生物燃料电池（MFC）系统主要由阳极室、阴极室和质子交换膜组成。实验中所用到的材料包括碳纤维布、石墨板、质子交换膜（Nafion117）以及作为电子受体的高价态Cr（Ⅵ）。具体的实验步骤如下：

MFC的构建与启动：将碳纤维布作为阳极，石墨板作为阴极，质子交换膜置于二者之间，构建成空气阴极型MFC。

菌株培养与驯化：从活性污泥中分离、筛选具有还原能力的菌株，并对其进行Cr（Ⅵ）的驯化。

实验分组：设置对照组（不添加Cr（Ⅵ））和实验组（添加一定浓度的Cr（Ⅵ））。

检测与分析：利用电化学工作站、高效液相色谱等设备对MFC的输出电压、库仑效率、Cr（Ⅵ）浓度等参数进行检测。

2.2实验结果与分析

实验结果表明，在适当的操作条件下，MFC系统能够有效还原Cr（Ⅵ）。经过一段时间的运行，实验组MFC的输出电压、库仑效率均高于对照组。同时，对Cr（Ⅵ）的去除率达到90%以上。

通过电化学工作站和高效液相色谱分析，发现Cr（Ⅵ）在阳极室被还原为Cr（Ⅲ），并在阴极室得到进一步还原。此外，驯化后的菌株表现出更高的还原能力，有利于Cr（Ⅵ）的去除。

2.3结论与讨论

结论：本研究表明，微生物燃料电池系统可以实现对Cr（Ⅵ）的有效还原，为含Cr（Ⅵ）废水处理提供了一种新型技术途径。

讨论：虽然MFC系统在还原Cr（Ⅵ）方面表现出较好的性能，但存在一些不足之处，如库仑效率仍有待提高，运行稳定性需进一步优化等。针对这些问题，后续研究可以从以下几个方面进行：

优化MFC的结构设计，提高其传质性能；

筛选、驯化具有更高还原能力的菌株，以提高MFC的输出性能；

探讨不同操作条件对MFC还原Cr（Ⅵ）效果的影响，以实现更好的处理效果。

3微生物电解池去除Pb（Ⅱ）的研究

3.1实验材料与方法

本研究中使用的微生物电解池（MicrobialElectrolysisCell,MEC）由阴极室和阳极室两部分组成，中间由质子交换膜隔开。实验所用的Pb（Ⅱ）溶液用以模拟含铅废水。以下为具体的实验材料及方法：

材料：1.微生物电解池：自制，体积为1L；2.阴极材料：碳布；3.阳极材料：石墨；4.质子交换膜：Nafion117；5.供试菌株：从活性污泥中分离得到，经鉴定具有还原Pb（Ⅱ）的能力；6.Pb（Ⅱ）溶液：由分析纯Pb(NO3)2配置而成。

方法：1.菌株的富集与培养：将分离得到的菌株在含有Pb（Ⅱ）的培养基中进行富集培养；2.微生物电解池