以偶氮染料废水为电子受体的微生物燃料电池研究 - 图文

学号： 10438218

常 州 大 学 毕业设计（论文） （ 2014届）

题 目 以偶氮染料废水为电子受体的微生物燃料电池研究 学 生 李 小 伟 学 院 环境与安全学院 专 业 班 级 环工102 校内指导教师 刘 亮 专业技术职务 讲 师 校外指导老师 无 专业技术职务 无

二○一四年六月

常州大学本科毕业设计（论文）

以偶氮染料废水为电子受体的微生物燃料电池研究

摘要：

微生物燃料电池通过对工业中产生的大量有机物废水以及日常生活中有机物的降解处理从而产出电能，这个方法在社会中引起了很大的反响。在实际的有机废物中，偶氮染料在合成的废水中所占的比重甚大，超过70%。此外，偶氮染料废水的危害也是很大的，它的排放不仅仅是的水源受到污染，而且周边的动植物的生长也会受到影响，甚至水体中的鱼类、植被趋向死亡，更重要的是我们人类的健康也不能获得保障，例如呼吸道疾病和肺部疾病随着废水的排放在人体中产生了。由于一般的偶氮染料在工业中排放出来的，所以具体还原性差、高浓度的特点。

本篇论文利用微生物燃料电池的阴极还原反应对偶氮类染料进行还原脱色，并研究体系的相关影响因素。在实验中采用双室的微生物燃料电池装置，利用厌氧微生物作为阳极生物催化剂和以含有偶氮染料的磷酸缓冲溶液作为阴极液体，并且达到一定的处理效果。实验主要研究了利用微生物燃料电池阴极还原反应对偶氮染料进行还原脱色的可行性，此外还研究了体系的相关影响因素，如阴极pH、外电阻等。实验结果表明，以偶氮染料作为微生物燃料电池的阴极电子受体是可行的。微生物燃料电池具有一定的稳定产电性能，但是产电时间不是很长，要想有长时间的产电时间，必须要不断投入大量的微生物以及营养物质。在同等条件下改变pH的大小，研究偶氮染料的降解速率时，当阴极pH越低，偶氮染料浓度降解越快；当pH为中性时浓度降解速率其实趋向于直线，略微呈现下降趋势。

本实验提出并证明偶氮染料可以作为微生物燃料电池的阴极电子受体，并且能实现产电的同时还可以降解偶氮染料。

关键词：微生物燃料电池；脱色；偶氮染料；还原反应；降解

I

常州大学本科毕业设计（论文）

Azo dye wastewater as electron acceptor in the microbial fuel cell

research

Abstract：

Microbial fuel cell (Microbial fuel cell) gets power from a wide range of organic and organic waste and finish the wastewater treatment at the same time, which is rapidly

becoming the new hot spot of wastewater treatment . Azo dye accounted for over 80% of the total synthesis of dyes. Azo dye wastewater discharge not only affect the beautiful

environment, and water pollution, toxic to aquatic organisms, and several types of potential health threats. Azo dye has high concentration and poor biodegradability ,which is recognized as the refractory organic wastewater.

In this paper, using the cathode microbial fuel cell reduction azo dyes for decolorization, influence factors and research system. The microbial fuel cell device of double chamber in the experiment, by using anaerobic microorganisms as anodic biocatalyst and with phosphate buffer solution containing azo dyes as the cathode liquid, and to achieve the treatment effect of certain. The experiment mainly studied the use of microbial fuel cell cathode reduction reaction of azo dyes decolorization of feasibility, and related influence factors of system are also studied, such as the cathode of pH, external resistance etc.. The experimental results show that, using azo dyes as cathode electron acceptor of the microbial fuel cell is feasible. Microbial fuel cell has a stable production of electricity, but electricity production time is not very long, want to produce electric time a long time, we must continue to invest a large amount of micro-organisms and nutrients. This experiment is put forward and proved azo dyes can be used as cathode electron acceptor of the microbial fuel cell, and can realize the electric generation and also the degradation of azo dyes.

Key words: microbial fuel cell; decolorization; azo dyes ; reduction reaction; degradation

II

常州大学本科毕业设计（论文）

目录

摘要： .................................................................... I 1.绪论 .................................................................... 1

1.1 前言 .............................................................. 1 1.2 微生物燃料电池 .................................................... 2

1.2.1 微生物燃料电池基本介绍 ....................................... 2 1.2.2 MFC结构介绍 ................................................ 4 1.2.3 工作原理 ..................................................... 4 1.2.4 影响因素 ..................................................... 6

1.2.5 电池内电阻 ................................................... 6 1.2.6 电池外电阻 ................................................... 6 1.2.7 氧气的扩散 ................................................... 6 1.2.8温度 ......................................................... 6 1.2.9 pH值 ........................................................ 6

1.3 偶氮燃料 .......................................................... 7

1.3.1偶氮染料的简介 ............................................... 7 1.3.2 偶氮染料的分类 ............................................... 7 1.3.3 偶氮燃料的用途 ............................................... 7

1.3.4偶氮燃料的危害 ............................................... 7 1.3.5 以偶氮染料为电子受体的微生物燃料电池的实验依据 ............... 7 2 实验部分 ................................................................ 8

2.1药品及仪器 ......................................................... 8

2.1.1 微生物燃料电池种子培养基 .................................... 8 2.1.2 微生物燃料电池阳极基质 ...................................... 8 2.1.3 微生物燃料电池阴极基质 ....................................... 8 2.1.4 仪器 ........................................................ 9 2.2 微生物燃料电池的组装与启动 ....................................... 9

2.2.1 组装： ....................................................... 9 2.2.2 启动 ....................................................... 11

3 结果与数据分析 ......................................................... 13

3.1偶氮染料在微生物燃料电池中降解的实验照片 .......................... 13 3.2电流的产生 ........................................................ 14 3.3 阴极pH值对降解动力学的影响 ..................................... 15 3.4 不同时间偶氮染料pH 3.0 紫外可见吸收光谱 .......................... 15 3.5不同电阻下偶氮染料的浓度随时间变化关系 ............................ 16 3.6 阴极 pH 值对电池性能的影响 ....................................... 19 3.7阳极pH对偶氮染料脱色速率的影响 ................................... 19 3.8 阳极基质对偶氮染料脱色速率的影响 ................................. 20 4. 结论与展望 ............................................................ 24 4.1实验结论 .......................................................... 22 4.2 展望 ............................................................. 22 参考文献 ................................................................. 25 致 谢 .................................................................... 26

III

常州大学本科毕业设计（论文）

1.绪论

1.1 前言

能源是我们人类不可或缺的物资，我们要发展社会，那就离不开对能源的损耗，但在几百万年的历史发展过程中，地球上现在已经有超出70亿的人口，这么多的人类，可想我们已经消耗了多少的资源。在过去很长得一段时间内，化石燃料一直是主要能源。目前化石燃料供应量已经无法满足整个世界对能量的需求，再者化石燃料的总量是有限的，并随之不断地减少。所以开发新能源是人类的当务之急。在各种新能源中，生物能是具有广泛的使用价值的能源之一。目前，采用生物法从废水中提取能源的技术有：微生物燃料电池、厌氧产甲烷技术、发酵生物制氢技术。

微生物燃料电池和其它种类的生物能转化技术相比具有明显的优势：

①燃料来源广泛，几乎可以利用各种的有机、无机物质作为燃料，也可以利用光合作用和废水来满足我们的需要[1]；

②微生物燃料电池因为是通过电子直接传递，所以能够将有机质转化为电能的转化效率提高；

③可以在室温以及更低的温度下、常压、中性pH值下运行，易于操作、控制和维护，降低了成本，安全系数高；

④在微生物燃料电池反应中所产生的物质主要是CO2，不需要对其产物做任何的后期处理；

由于具有发电与废弃物处置的双重功效。微生物燃料电池代表了当今最前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术[2]。

在微生物燃料电池产电过程中，微生物的代谢效果取决于质子和电子的流量，从而影响微生物燃料电池的产电性能。不仅影响基质，而且阳极的电势对微生物代谢途径也起着非常重要的作用。当阳极电势能较高的时候，微生物采用呼吸链进行代谢，质子和 电子从而通过细胞色素、NADH还原酶以及辅酶Q来进行传递。呼吸链抑制剂能够抑制微生物燃料电池中电流产生，进而验证了此种代谢途径；当阳极电势降低的时候，会存在硫酸盐等其他电子受体时，电子则会在其上累积，而不使用阳极；而当不存在硝酸盐、硫酸盐和其他电子受体时，微生物则主要进行发酵，代谢过程也会释放少量电能。

理论上各种具有胞外电子传递能力的微生物均可能用于MFC。在MFC的研究中，通常加入电子介体以实现电子转移及提高转移速率，较为典型的介体主要有硫堇、中性红、可溶性醌、及甲基紫精等。但由于电子介体大多有毒、易流失且价格较高，很大程度上阻碍了其工业化应用。

偶氮染料(偶氮基两端连接芳基的一类有机化合物)是纺织品服装在印染工艺中应用最广泛的一类合成染料，占人工合成染料的80%以上。它用于多种合成纤维和天然的印花和染色，也用于橡胶、塑料、油漆等着色。前些年被非法使用于食品染色的苏丹红5号就是常见的一种偶氮染料。在某种特定的条件下，偶氮染料可以分解产生20多种致癌芳香胺，经过活化作用可以改变人体的DNA结构，最终引起病变和诱发癌症。所以，

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