CN112777723A - 基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法，属水体污染治理技术领域。通过在水体底泥中引入碳毡电极做阳极，在天然的厌氧环境条件下，产电微生物利用胞外电子传递机制将底泥中蕴藏的有机物资源氧化产生电子，经阳极传递至固定在阴极区液面上表面的负载γ‑FeOOH的阴极，促进溶解氧和三价铁反应生成芬顿试剂H2O2和Fe2+，同时过氧化氢在亚铁离子的催化作用下分解产生强氧化性的羟基自由基，过程中无需外加能源和过氧化氢，达到原位去除赤潮/水华藻的目的，同时可利用阳极反应实现水体底泥中有机物减量的效果。

Description

基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解 赤潮/水华藻的方法
技术领域
本发明涉及一种基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法，属水体污染治理技术领域。
背景技术
随着全球气候变暖，促使了赤潮/水华藻在适宜的暖水环境中分布生长，同时伴随着世界人口增长和城市化进程加快，大量人类排放的污水进入水体导致赤潮/水华现象频发，造成了水体生态环境失去平衡，并对人体健康和经济发展产生严重危害。近年来，赤潮/水华灾害在中国乃至全球许多水域中频繁出现。因此，为维护水体生态环境安全、保障经济健康发展，治理赤潮/水华灾害是极具社会意义的。
沉积型微生物燃料电池(SMFC)是一种典型的无膜微生物燃料电池，阳极和阴极分别放置在厌氧沉积物中和水体表面。水体底部沉积物中形成的天然厌氧环境以及蕴藏的有机物为产电微生物的生长提供了自然条件，在缺氧环境下产电微生物将有机物氧化产生电子，利用胞外电子传递机制将电子传递给胞外的电子受体，再经阳极传递至阴极后与氧气发生反应，故沉积物与水体之间存在一个电压梯度。
电芬顿高级氧化法是水体中的溶解氧经过二电子还原过程生成过氧化氢，与二价铁组成芬顿试剂，可以产生具有高氧化电位的羟基自由基等强氧化性自由基。相比于传统的芬顿技术，具有以下优点：1.解决了过氧化氢储存和运输花费高的问题；2.产生的铁泥量低。
因此，将电芬顿高级氧化法与沉积型微生物燃料电池技术进行结合。水体底部沉积物中蕴藏的有机物被阳极区产电微生物氧化产生电子，大大提升了污泥的减量效率；阴极区通过亚铁离子与过氧化氢反应生成羟基自由基等强氧化性自由基，同时促进SMFC的发电。故形成基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法，在自然光照的条件下，可在无需外加能源和过氧化氢的情况下，达到经济、高效去除赤潮/水华藻的目的。
发明内容
本发明针对水体环境中赤潮/水华藻在一定条件下爆发性增殖导致的水体污染问题，提出了一种基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法。
本发明的技术方案：
一种基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法，该方法所用的基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿高级氧化装置如下：在阳光照射下，阳极区和阴极区分别由水体底泥和赤潮/水华藻构成；阳极碳毡插入在水体底泥中，负载γ-FeOOH的阴极碳毡置于赤潮/水华藻液中，二者通过外加电阻连入电路；水体底泥中的产电微生物产生电子通过阳极和外电路传递至负载γ-FeOOH的阴极，在其表面发生电芬顿反应生成强氧化性羟基自由基来原位降解赤潮/水华藻。
阴极是将γ-FeOOH负载在碳毡表面，同时水体中的赤潮/水华藻可以产生溶解氧，故γ-FeOOH和溶解氧在阳极传输来的电子作用下被还原为H2O2和Fe2+(芬顿试剂)，进而发生反应生成强氧化性羟基自由基和Fe3+。其中，羟基自由基达到降解赤潮/水华藻的效果，同时Fe3+得电子生成Fe2+来完成下一个芬顿试剂铁的循环，使得反应装置可以持续使用。
阳极区水体底泥中的产电微生物附着在阳极表面，在缺氧环境下利用水体底泥中的有机物资源产生电子，经阳极和外加电阻传输至负载γ-FeOOH的阴极，反应生成强氧化性羟基自由基实现赤潮/水华藻的原位降解，同时达到了水体底泥中有机物减量化的效果。
相较于物理法、化学法、生物法等传统的降解工艺，本发明的有益效果：一、可以原位发电并高效降解赤潮/水华藻；二、通过SMFC阳极区底泥生成的电子和阴极附近的溶解氧来持续地产生过氧化氢，节省了其制备、运输和储藏等花费；三、降解赤潮/水华藻的过程中不会对水体环境造成二次污染；四、与自然生物降解有机物相比，SMFC可大幅提升底泥中有机物的生物降解效率；五、SMFC为电芬顿提供反应动力和反应物，电芬顿促进SMFC发电，无需外加能耗。
附图说明
图1为本发明基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的装置示意图。
图中：1反应器，2赤潮/水华藻液(阴极区)，3水体底泥(阳极区)，4阳极碳毡，5负载γ-FeOOH的阴极碳毡，6外加电阻，7电化学工作站，8连接钛丝，9铜导线，10全光谱日光灯。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，对本发明的具体实施方式作进一步详述。
实施例1：基于浅海底泥的SMFC原位驱动电芬顿降解赤潮藻的方法
图1为本发明的一种基于浅海底泥的SMFC原位驱动电芬顿降解赤潮藻的反应器示意图。所述实验装置包括反应器1，阳极碳毡4(80mm×40mm×5mm)，阴极负载γ-FeOOH的阴极碳毡5(80mm×40mm×5mm)，1kΩ外加电阻6，电化学工作站7，1m长50w全光谱日光灯10。阳极碳毡4固定在浅海底泥中(距烧杯底2cm)并通过钛丝8和外加电阻6与固定在水体上表面的阴极负载γ-FeOOH的阴极碳毡5相连。电化学工作站7通过铜导线9连接于电路中以实时监测SMFC的产电变化趋势；全光谱日光灯10架于反应器上空以模拟阳光，光暗比为12h∶12h，保证阴极区赤潮藻2的正常生命活动；阳极区浅海底泥3中的产电微生物产生电子以维持反应器运转。
负载γ-FeOOH的阴极是将碳毡片浸渍在γ-FeOOH乙醇溶液中制备。对碳毡片进行预处理：使用丙酮浸泡24h，去离子水清洗3次，再使用37％的硝酸浸泡12h，去离子水清洗3次。γ-FeOOH粉末是由20g FeCl2·4H2O、7g NaNO2、28g(CH2)6N4分别溶解在400ml、80ml、80ml去离子水中，三种溶液混合形成蓝绿色沉淀，于65℃保存3h，然后离心，使用95％乙醇和去离子水各清洗三次，于65℃烘箱烘干48h。负载γ-FeOOH碳毡电极的制备是将碳毡片浸渍在75℃的已超声均匀分散30min的γ-FeOOH乙醇溶液中磁力搅拌，于70℃烘箱烘干。制备成功的负载γ-FeOOH的电极放置在阴极区液面表面，之后通过阳极区传输的电子反应生成强氧化性羟基自由基来原位降解赤潮藻。
对照例1：
运行阴极未负载γ-FeOOH的SMFC装置，即仅考虑SMFC本身对于赤潮藻的影响作用，其余运行条件均与实施例1一致。
对照例2：
运行体系内无任何反应器装置，即仅考虑赤潮藻的自然生长情况，其余运行条件均与实施例1一致。

Claims (1)

1.一种基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿降解赤潮/水华藻的方法，其特征在于，该方法所用的基于水体底泥的沉积型微生物燃料电池原位驱动电芬顿高级氧化装置如下：在阳光照射下，阳极区和阴极区分别由水体底泥和赤潮/水华藻构成；阳极碳毡插入在水体底泥中，负载γ-FeOOH的阴极碳毡置于赤潮/水华藻液中，二者通过外加电阻连入电路；水体底泥中的产电微生物产生电子通过阳极和外电路传递至负载γ-FeOOH的阴极，在其表面发生电芬顿反应生成强氧化性羟基自由基来原位降解赤潮/水华藻。
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