从电化学和微生物学角度分析微生物燃料电池处理硫污染物的机理.pdfVIP

第4l卷 特约来稿 分析化学(FEN)(IHUAⅪ『E) 第8期 2013年8月 ChiIleseJo啪alof 1133—1139 AnalyticalCheIllis仃y 从电化学和微生物学角度分析 微生物燃料电池处理硫污染物的机理 梁方圆 邓欢 赵峰4 (中国科学院城市环境研究所，厦门361021) fuel 摘要微生物燃料电池(Microbialcells，MFcs)是一种有前景的去除废水中硫污染物的技术。本文在 生物膜电极反应机理的基础上，讨论电极反应和微生物在MFcs处理硫污染物过程中的作用，论证了其处理 机制和影响因素，总结了反应器构型、分离器类型、电极材料和催化剂，以及硫的回收和电极再生。此外，通过 核算对比MFcs和典型的厌氧生物技术处理含硫废水的成本和收益对MFCs去除废水中硫污染物的可行性 进行了评估。 关键词硫污染物；电极反应；废水处理；微生物燃料电池；能源；评述 1 引 言 硫是地球上所有生命的基本元素，硫循环对环境有着重要作用。硫物质迁移转化的途径如图l所 示…。硫的化合价范围是从_2到+6，这一特殊的价态致使地球上的硫物质处于动态的循环过程。大量 含硫污水排放到地表径流，最终流人大海。硫污染物融人硫循环的各个方面，对自然生态系统和生物健 康带来负面影响。高浓度的硫物质会危害环境中的生物，这些硫污染物通常出现在采矿、畜牧业、食品 加工、纸浆和皮革、染料和洗涤等行业中旧J。大部分可溶性的硫物质随着地表径流进人海洋。硫污染 物对自然生态系统会产生负面影响：其氧化产物挥发到大气中产生酸雨，会给生物体带来严重的健康风 险且会腐蚀材料。基于这些负面的影响，人们花费了大量的人力和财力来处理这些污染物。目前处理 含硫废水的技术主要包括汽提口1、氧化H1和生物化学方法∞J。尽管这些技术可以有效去除硫污染物， 但是它们都有高能耗高运行成本的缺陷。学者不断寻求高效、低耗和少排放的新技术处理含硫废水。 fuel 微生物燃料电池(Microbial cells，MFCs)利用微生物降解废水中的有机和无机物质并产生电 展做出了贡献¨卅1。然而，硫物质的转化过程很复杂，在涉及到包含诸多电化学反应和生物反应的机理 方面还存在一些争议。尽管Habe珊ann等提出了用MFCs处理硫酸盐，但其假设的机理并没有后续学 者的试验支持，且他们报道的电流密度超过了50mA／cm2，这一数值甚至于高于目前学者报道的数据。 影响因素和机理方面知识的欠缺导致在实际应用方面缺乏有效的理论指导。20世纪80～90年代，汪 尔康研究组在生物膜电化学方面做了很多基础性的研究，用多种电分析化学技术研究了仿生膜的离子 传输作用和电子转移过程¨0’11 o，这些理论方法对于研究硫污染物的处理具有重要的指导作用n2，13|。 为了正确认识MFCs处理含硫废水过程中的瓶颈及提高处理性能，本文阐述了MFCs处理硫污染物 过程中电化学和微生物的作用，总结了所涉及到的构型和材料，并对实际应用中的成本进行了评估。 2 电极反应机制及过程 2．1电化学反应过程 自然界中的硫物质超过30种，硫化物是硫物质转化过程中的中间体‘141。溶液的pH值和电极电势 2012·10-29收稿；2013旬3旬l接受 十E-mail：铀∞@iue．ac．cn 分析化学 第4l卷 and 图l全球硫循环(改编自MuyzerStarIls)… Globalsulfur f而m andStams[1] Fig．1 cycle