文 献 综 述

1.1实验背景

随着微生物学、电化学和材料科学等学科的发展以及人们对新能源开发与利用。微生物燃料电池(MicrobialFuelCel，MFC)在生物燃料电池的基础上逐步发展起来并不断取得突破性研究成果^[1]。微生物燃料电池是一种利用电化学技术将在微生物的代谢能转化为电能的装置，目前在废水处理和新能源开发领域具有广阔的研究与应用前景。

19世纪初，英国植物学家 Poter将铂电极放大 肠杆菌和普通酵母菌的培养液中，发现细菌培养液能够产生电流，制造出了世界上首个微生物燃料电池。19世纪中叶，美国空间科学的研究人员以宇航员的尿液和细菌为实验材料，制造出了一种能在外太空使用的微生物燃料电池，虽然其放电率很低，但促进了微生物燃料电池技术的研究与发展^[1]。进入21世纪后，微生物燃料电池技术技术的研究不断取得新进展。以污水为底物的新型微生物燃料电池的研究与应用使微生物燃料电池迅速成为环境领域研究的热点，微生物以废水中的有机物作为自身的营养物质和能源物质，不仅可以直接处理有机废水，而且可以获得电能，实现了废水的资源化，对解决环境污染和能源短缺问题有重要意义。

含铬材料广泛应用于各类工业领域，在美国，铬成为地下水第二大重金属污染源^[2]六价铬是公认致癌物质且六价铬在酸性条件下具有很高的氧化还原电位（理论达1.33V）为其能够作为MFC阴极电子受体提供重要依据^[3]。六价铬的去除，通常是将其转化为三价铬，大大降低其毒性并且在氧化还原过程中产生高电位。因此本实验采用MFC来去除铬具有深远的意义。

1.2 微生物燃料电池

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能的装置。其基本工作原理是:在阳极室厌氧环境下，有机物在微生物作用下分解并释放出电子和质子，电子依靠合适的电子传递介体在生物组分和阳极之间进行有效传递，并通过外电路传递到阴极形成电流，而质子通过质子交换膜传递到阴极，氧化剂(一般为氧气)在阴极得到电子被还原与质子结合成水。按照电子转移的方式不同，微生物燃料电池可以分为直接微生物燃料电池和间接燃料电池两种^[19]。

1.2.1 微生物燃料电池的工作原理

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一种能够通过厌氧微生物的催化反应将燃料化学能转化为电能的生物反应器。在阳极微生物的催化作用下，降解有机物（葡萄糖，乙酸，乳酸盐及食品废水，生活污水，化工废水等）产生电子和质子，产生的电子和质子传递到阳极，经外电路到达阴极，由此产生外电流；产生的质子通过质子交换膜（PEM）到达阴极，在阴极与电子，氧化物发生还原反应，从而完成电池内部的电荷传递。催化剂直接从可降解有机物中提取电能,它具有废弃物处置与产电双重功效,是未来理想的产电方式和有机废弃物资源化处置工艺^[4]。然而在这些研究中，阴极室往往起到链接电路的作用，因此可以利用接受电子和质子的污染物作为阴极液，进行同步产电和处理污染物。

重金属污染物是我们共同面临的大难题，其中铬尤为严重，六价铬比三价铬毒性大。因此我们利用微生物燃料电池处理废水中的铬是一种有效并且节约成本的方法。该技术不仅可以有效的处理含铬的废水，并且不行也要添加化学药剂，同时产生电能。本实验采用以碳板为阳极、碳布为阴极的双室微生物燃料电池技术（MFC），对含铬废水中Cr(VI)的去除效率以及产电性能进行研究。

1.2.3影响生物阴极MFCS性能的因素

影响MFCs性能包括很多因素，如反应器构型、电极材料、电极间距、电极表面积、离子交换膜及膜面积、微生物种类、反应器操作条件(温度、pH、电导率)等。MFCs电极材料通常选用碳材料，碳粒、碳毡和碳纤维由于其具有比较大的比表面积被使用在生物阴极中以提高产电和硝酸盐或氧气的还原速度^[5.6-8]。此外，以硝酸盐和氧气为电子受体的化学阴极或生物阴极MFCs的研究中发现pH^[8-10]和温度^[6,11-13]对电池的性能有重要的影响。

1.3生物燃料电池在废水处理中的应用