不同条件下含油海底微生物燃料电池性能及降解效应研究
海底石油污染物在缺氧环境下，其生物降解过程缓慢，对海洋环境造成长期危害。本研究拟开发一种海底或濒海滩涂污染物治理新技术，即利用海底微生物燃料电池(BMFCs)的电催化作用，实现原位生物修复的同时促进微生物的代谢，从而加速海底沉积层中石油污染物的降解。 BMFCs的工作原理是:海底沉积层中的细菌不断分解有机污染物（如石油污染物），产生电子，阳极埋入海泥，阴极浸入海水，电子通过附着细菌转移到阳极上，再经导线转移到阴极，阴极浸入海水，溶解氧消耗电子生成H2O，由此形成连续不断的电流。为了探究BMFCs对石油的降解效果及自身性能的变化，本论文开展了不同条件下含油BMFCs的电化学性能和降解效应的研究，主要研究内容如下: (1)利用BMFCs原理，通过电催化作用提高海底石油污染物的降解速率。对比测试了含油电池装置(BMFCs-A)与无油电池装置(BMFCs-B)的电化学性能，研究了石油污染物对电池性能的影响;比较了含油通路(BMFCs-A)和断路状态下(BMFCs-C)的石油降解率和细菌聚集量，分析了BMFCs对石油污染物降解的加速作用。结果表明，BMFCs-A和BMFCs-B阳极的交换电流密度分别为1.37×10-2A·m-2和1.50×10-3 A·m-2，最大输出功率密度分别是105.79 mW·m-2和83.60 mW· m-2，BMFCs-A装置的抗极化能力增强，交换电流密度提高近9倍，最大输出功率密度提高1.27倍。BMFCs-A和BMFCs-C阳极表面的异养菌数量分别是66±3.61×107 cfu·g-1和7.3±2.08×107 cfu·g-1，细菌数量增加了8倍，高的异养菌数量导致石油降解加速进行，BMFCs的石油降解率是自然条件下的18.7倍。含油BMFCs在电化学性能提高的同时，加速石油污染物的降解。同时，提出了一种海底微生物燃料电池加速降解石油污染物的新模式。 (2)糖脂类生物表面活性剂可以提高石油烷烃类降解率，在含油BMFCs中添加不同浓度的鼠李糖脂研究电池性能及降解效应。结果表明，添加鼠李糖脂后阳极的润湿性提高，交换电流密度、最大输出功率密度变大，抗极化能力增强，石油降解率提高。当鼠李糖脂的浓度为200 mg· L-1时效果最好，与空白BMFCs相比，接触角为48°，降低了一倍;交换电流密度为4.87×10-2A·m-2，提高了38倍;最大输出功率密度为140.24 mW·m-2，提高了2倍多;石油降解率提高2倍多。提出了鼠李糖脂和BMFC加速石油污染物降解的新模式。本研究对BMFCs加速降解海底石油污染物具有指导意义。 (3)为了探究氨改性阳极对含油BMFCs性能及降解效应的影响，对阳极进行氨水改性和NH4HCO3电化学氧化改性。经改性，电极和电池性能均得到提高，且NH4HCO3电化学氧化改性效果最好。经NH4HCO3电化学氧化改性的BMFCs交换电流密度和最大输出功率密度分别为2.57×10-2 A·m-2和152.87 mW·m-2，约是未改性BMFCs的5倍，石油降解率提高8倍。NH4HCO3电化学氧化改性方法显著提高了电池性能，对探索海底微生物燃料电池进行石油降解具有重要意义。
海底石油污染物;微生物燃料电池;电化学性能;降解效应
中国海洋大学
硕士
材料学
付玉彬
2015
中文
X55;X505
68
2016-01-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）