李蕓 柳麗芬

(大連理工大學(xué)盤錦校區(qū)食品與環(huán)境學(xué)院，盤錦124421)

微生物燃料電池耦合BiVO4光電催化作用降解污染物

李蕓 柳麗芬＊

(大連理工大學(xué)盤錦校區(qū)食品與環(huán)境學(xué)院，盤錦124421)

利用水熱合成方法制備單斜晶型光催化劑BiVO4，首次將BiVO4引入MFC中，構(gòu)建全新的PEC-MFC，EC-MFC耦合體系，并研究其對(duì)氨氮與染料廢水的降解效果及能量消耗。PEC-MFC與EC-MFC耦合體系2 h內(nèi)均能對(duì)RhB達(dá)到95%以上的降解率；在中性偏酸條件下，可提高耦合體系對(duì)NH4+-N的降解效果，且O2是耦合體系的主要決定因素；PEC-MFC和EC-MFC的單位電能消耗量為0.895和0 kWh·m-3，在最優(yōu)條件下，PEC-MFC最大輸出電壓為0.476 V，最大輸出功率為755.25 mW·m-2。研究了叔丁醇、KI對(duì)耦合體系的影響以探究耦合體系的主要氧化物種，闡述了光催化-微生物燃料電池的耦合機(jī)理。

微生物燃料電池；光電催化；污染物降解

0 引言

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種將污染物處理與產(chǎn)電結(jié)合的新技術(shù)，它借助微生物的代謝作用將污染物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污染物的降解。因其高效、環(huán)保、清潔的優(yōu)點(diǎn)引起廣大學(xué)者的關(guān)注，并展現(xiàn)廢棄物能源化處理的新發(fā)展趨勢(shì)[1-7]。目前，MFC對(duì)難降解污染物展現(xiàn)很高的降解潛力，但是研究仍處于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模階段，仍存在能量轉(zhuǎn)化效率低、輸出電壓低、出水水質(zhì)差、成本高等問題。研究學(xué)者在MFC反應(yīng)器的構(gòu)型、陽(yáng)極產(chǎn)電微生物種類、電極材料等方面進(jìn)行不斷優(yōu)化。隨著研究的深入，將光電催化劑作為電極材料引入微生物燃料電池，構(gòu)建光催化-微生物燃料電池(PEC-MFC)耦合系統(tǒng)，利用光電催化劑的優(yōu)良特性，提高新系統(tǒng)的污染物降解性能及產(chǎn)電效率，以達(dá)到高效低耗地處理污染物和輸出電能的目的[8-10]。

PEC-MFC體系可以形成具有高氧化活性的·OH、·O2-、光生空穴等活性物種，對(duì)有毒、難降解的污染物具有較強(qiáng)的降解潛力。其最大的優(yōu)勢(shì)在于，陽(yáng)極供電引起的電極電位偏壓可激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生電子/空穴對(duì)，使其在無光條件下仍具有降解潛力。另一方面，偏壓促進(jìn)了電子-空穴對(duì)的分離，提高光電效率。

Lu等[11]將光催化劑金紅石作負(fù)載于Pt電極上,作為耦合體系的陰極。結(jié)果表明在光照時(shí)最大輸出功率為12.03 W·m-3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于黑暗時(shí)的7.64 W· m-3。該研究證明金紅石或者其他半導(dǎo)體材料，可以作為MFC的電極催化劑，合并不同光催化反應(yīng)路徑，提高量子轉(zhuǎn)化效率，具有降低歐姆損失和反應(yīng)成本等優(yōu)點(diǎn)。

Qian等[12]報(bào)道了一種自偏壓太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)MPC反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)無需外加偏壓的光催化產(chǎn)氫，并產(chǎn)生持續(xù)的電能。采用的是生物陽(yáng)極和Cu2O光電陰極。生物陽(yáng)極給出電子，光電陰極的價(jià)帶與陽(yáng)極產(chǎn)電電位存在電位差，相當(dāng)于為產(chǎn)氫電極提供了外加偏壓，雖然整個(gè)系統(tǒng)并沒有施加偏壓。系統(tǒng)電池的電壓一部分是由于陽(yáng)極比NHE更負(fù)，一部分是由于陰極價(jià)帶比NHE更正。該系統(tǒng)的穩(wěn)定電流密度為：光照時(shí)75 μA·cm-2，黑暗時(shí)25 μA·cm-2。在多個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)后，電流無明顯下降。其證明p型半導(dǎo)體Cu2O與陽(yáng)極產(chǎn)電微生物能夠良好協(xié)同作用，為微生物電池與半導(dǎo)體的不同耦合方式提供了可能。

本文采用水熱合成法成功制備了具光催化活性的單斜晶型釩酸鉍(BiVO4)催化劑，將其負(fù)載于不銹鋼網(wǎng)上作為光電催化陰極，首次構(gòu)建BiVO4-MFC耦合體系并用于污染物降解。研究了耦合體系對(duì)污染物降解去除性能和產(chǎn)電性能。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：無光條件下，EC-MFC系統(tǒng)也有很好的電催化作用和降解去除陰極污染物的能力。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)使用的主要儀器為：電化學(xué)工作站(RST-5000，鄭州，中國(guó))，紫外-可見分光光度計(jì)(UV762，INESA，中國(guó)上海)；掃描電鏡(Quanta，美國(guó))，X射線衍射(XRD-7000S，SHIMADZU，日本，Cu Kα，λ= 0.154 06 nm，電壓40 kV，電流30 mA)，數(shù)據(jù)采集卡(PISO-813，ICP DAS，臺(tái)灣，中國(guó))，電磁攪拌器(74-1)等。實(shí)驗(yàn)用品包括：50 W鹵素?zé)?波長(zhǎng)范圍340～800 nm,反應(yīng)器光照面光照強(qiáng)度為1.99 mW·cm2,500目方眼平紋不銹鋼網(wǎng)，不銹鋼反應(yīng)釜，Bi(NO3)3· 5H2O，NH4VO3，CTAB，羅丹明B(RhB)，NH4Cl等，均為分析純。

1.2 負(fù)載型BiVO4的制備

將1.225 g Bi(NO3)·5H2O溶于20 mL HNO3溶液(4 mol·L-1)中得到溶液A，將0.25 g NH4VO3溶于20 mL NaOH溶液(4 mol·L-1)中得到溶液B，并在兩種混合溶液中分別加入適量的表面活性劑0.1 g CTAB，攪拌0.5 h。將溶液A與B等物質(zhì)量混合，調(diào)節(jié)pH值至5，攪拌0.5 h，得到前驅(qū)液；將前驅(qū)液置于反應(yīng)釜中于200℃條件下水熱合成2 h，降至室溫，將產(chǎn)物分別用去離子水和無水乙醇洗滌去除殘液，干燥，即得BiVO4催化劑粉體，用研缽仔細(xì)研均勻。

將不銹鋼網(wǎng)裁剪為2 cm×3 cm，于無水乙醇中超聲20 min后干燥，備用。取一定量的無水乙醇于燒杯中，加入TEOS，并緩慢滴加濃鹽酸與去離子水的混合液，攪拌0.5 h(其中，TEOS、無水乙醇、濃鹽酸、去離子水的物質(zhì)的量之比為1∶7.6∶0.28∶25)。將制備的BiVO4粉體用酸性硅溶膠涂覆于不銹鋼網(wǎng)上，于80℃干燥箱中烘干制得負(fù)載型BiVO4光催化劑(負(fù)載量約為0.023 g)。

1.3 光催化實(shí)驗(yàn)

將反應(yīng)電極浸沒在模擬廢水RhB溶液或者氨氮(NH4+-N)溶液(100 mL)中，將50 W鹵素?zé)糁糜谝好嬲戏?，距液?0 cm。在反應(yīng)器底部注入曝氣頭，曝氣量為0.15 m3·h-1。反應(yīng)開始后，每15 min采樣，用紫外-可見分光光度計(jì)測(cè)其吸光度，分析RhB (533 nm處)或者NH4+-N(420 nm處)的濃度變化。氨氮測(cè)定采用納氏試劑法。

1.4 PEC-MFC實(shí)驗(yàn)

圖1 PEC-MFC反應(yīng)器構(gòu)造Fig.1PEC-MFC reactor configurations

PEC-MFC反應(yīng)器構(gòu)型，如圖1所示。采用雙室反應(yīng)器，由有機(jī)玻璃制成，單室有效容積約為400 mL，陽(yáng)極室與陰極室由質(zhì)子交換膜隔開。陽(yáng)極為厭氧環(huán)境，將碳顆粒(約60 g)置于陽(yáng)極室內(nèi)接種產(chǎn)電希瓦氏菌，反應(yīng)時(shí)提供200 mL營(yíng)養(yǎng)液(成分為CH3COONa 1.6 g·L-1，NaHCO32.5 g·L-1，KCl 0.1 g· L-1，NH4Cl 0.5 g·L-1，MgCl20.1 g·L-1，CaCl20.1 g·L-1，KH2PO40.3 g·L-1)；RhB或氨氮模擬廢水(200 mL)置于陰極室，陰極室底部設(shè)有曝氣裝置曝氣量為0.15 m3·h-1；陽(yáng)極用碳棒做電極，陰極為不銹鋼網(wǎng)且負(fù)載光催化劑，外連接電阻，用銅線連通電路。光源置于陰極室外，透過陰極的石英玻璃照射實(shí)驗(yàn)溶液。每15 min采樣分析RhB和氨氮的濃度變化。分析RhB或者NH4+-N溶液濃度變化。閉路及無光條件下，進(jìn)行EC-MFC實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了污染物的濃度變化。采用數(shù)據(jù)采集卡記錄輸出電壓，數(shù)據(jù)采集間隔為1 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 BiVO4粉體XRD表征

圖2為BiVO4粉體XRD表征圖。與BiVO4的標(biāo)準(zhǔn)JCPDS No.140688卡對(duì)比，在2θ為28.822°、28.947°的位置出現(xiàn)單斜晶型BiVO4的特征衍射峰。此特征峰可證明實(shí)驗(yàn)制備的BiVO4為單斜晶系，且結(jié)晶純度較高。

2.2 BiVO4粉體電鏡表征

BiVO4粉體的表征如圖3所示?？梢钥闯霰緦?shí)驗(yàn)中采用水熱合成方法制備的BiVO4大部分為納米級(jí)立方形或棒狀結(jié)構(gòu)。CTAB的加入可以增加反應(yīng)物的比表面積，降低反應(yīng)物表面活性能。在合成過程中CTAB可以形成膠團(tuán)包裹住晶核，抑制顆粒團(tuán)聚，促進(jìn)催化劑形貌的控制，形成納米級(jí)BiVO4[13-15]。

圖3 釩酸鉍的形貌-SEM電鏡圖Fig.3SEM images of BiVO4powder

2.3 負(fù)載型BiVO4電化學(xué)性質(zhì)-CV曲線

根據(jù)線性掃描循環(huán)伏安法測(cè)得CV曲線圖，圖中可以看出曲線平緩閉合，制備的BiVO4具有明顯的氧化還原峰，雙峰較對(duì)稱。氧化還原電位差為114.5 mV(vs Hg/HgCl2)。

圖4 BiVO4的CV曲線圖Fig.4Cyclic voltammetry profile of BiVO4

2.4 BiVO4光催化活性實(shí)驗(yàn)

RhB溶液初始濃度為10 mg·L-1，溶液體積為100 mL，BiVO4光催化活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 釩酸鉍光催化降解RhB效果及H2O2對(duì)光催化作用影響Fig.5Photocatalytic removal efficiency of RhB by pure BiVO4under visible-light irradiation,and the effect of H2O2in photocatalytic reaction

實(shí)驗(yàn)表明：負(fù)載型BiVO4光催化劑光催化作用2 h對(duì)RhB降解率為25%RhB，這證明其有一定的光催化活性。其光催化效果不高的主要原因可能為BiVO4負(fù)載于2 cm×3 cm的不銹鋼網(wǎng)上，與分散型光催化劑相比，其與污染物的接觸面積大大降低，影響光催化作用。當(dāng)加入0.03%的H2O2后，光催化活性顯著提升，2 h對(duì)RhB的降解率達(dá)到74%。雙氧水在光照條件對(duì)RhB有一定的氧化降解作用。但從圖中我們可以看到光催化劑+H2O2的降解效果比單純的BiVO4降解和H2O2光降解之和提高了15%。這說明BiVO4和H2O2存在協(xié)同作用。H2O2是一種有效的電子受體，不僅可以抑制光生電子/空穴的復(fù)合，而且可以被電子還原為強(qiáng)氧化性的·OH，為反應(yīng)體系補(bǔ)充活性自由基。因而適當(dāng)?shù)奶砑親2O2可以促進(jìn)BiVO4復(fù)合催化劑的光催化活性。不少學(xué)者在光催化體系中引入H2O2作為光催化輔助劑，提高對(duì)難降解污染物的降解效果[16-18]。

2.5 PEC-MFC耦合系統(tǒng)降解NH4+-N模擬廢水

以NH4Cl配制50 mg·L-1NH4+-N模擬廢水(pH= 6.26)，進(jìn)行PEC-MFC體系降解實(shí)驗(yàn)。對(duì)比光催化降解NH4+-N(降解率18%)，我們可以看出PEC-MFC體系對(duì)NH4+-N的降解率提高了57%(圖6a)。EC-MFC去除效率略低于PEC-MFC。

圖6 (a)不同體系對(duì)的降解效果對(duì)比;(b)不同pH對(duì)PEC-MFC耦合系統(tǒng)降解氨氮效果的影響Fig.6(a)Removal efficiency comparison of different system;(b)Removal ofcatalyzed by BiVO4in PEC-MFC system under different pH values

在弱酸條件下，PEC-MFC體系對(duì)氨氮廢水的去除效果較好(圖6b)，最佳降解pH值為5。在堿性條件下降解效果降低，這是因?yàn)樵谒嵝詶l件下，催化劑表面帶正電，促進(jìn)了·O2-轉(zhuǎn)化為高活性的氧化物種·OH。pH=5時(shí)，EC-MFC對(duì)NH4+-N同樣具有優(yōu)異的降解潛力，2 h去除75%的NH4+-N。這可能是因?yàn)殛?yáng)極產(chǎn)電微生物通過自身代謝作用提供電子引起電位偏差，激發(fā)光催化劑，導(dǎo)致空穴與電子的分離，也降解去除了NH4+-N。

圖7表示在有氧和無氧條件下PEC-MFC體系對(duì)氨氮的降解效率對(duì)比，由圖可見，在缺氧條件下，氨氮的降解效率顯著較低。這是因?yàn)镺2的氧化還原電位為-0.13 V，正于BiVO4的導(dǎo)帶價(jià)位，因而可以作為電子的捕獲劑，生成超氧自由基·O2-，繼而在H+的輔助下生成·OH。缺氧條件中斷了自由基反應(yīng)鏈，體系中的氧化物種主要為空穴和少量由H2O或OH-生成的·OH。我們可以推斷氧氣為PEC-MFC體系陰極反應(yīng)主要的影響因素。

圖7 氧氣對(duì)PEC-MFC耦合系統(tǒng)降解氨氮效果的影響Fig.7Removal of NH4+-N in PEC-MFC system with and without oxygen

2.6 PEC-MFC耦合系統(tǒng)降解RhB染料廢水

RhB初始濃度為50 mg·L-1時(shí)，以0.1 mol·L-1Na2SO4+0.001 mol·L-1H2SO4溶液作為電解質(zhì)溶液，PEC-MFC耦合系統(tǒng)和EC-MFC耦合系統(tǒng)降解偶氮RhB染料廢水對(duì)比分析結(jié)果，如圖8所示。PECMFC在不加電解質(zhì)時(shí)對(duì)羅丹明B的降解率為71% (2 h)。由于電解質(zhì)的加入，增大了反應(yīng)器溶液電導(dǎo)率從而可以降低MFC歐姆阻力。從圖中可以看出PEC-MFC和EC-MFC耦合體系2 h內(nèi)對(duì)RhB的降解率分別為97%和95%。另外，PEC-MFC耦合系統(tǒng)45 min內(nèi)對(duì)RhB的降解效率即可達(dá)到90%以上。因此，我們證實(shí)PEC-MFC耦合系統(tǒng)和EC-MFC耦合系統(tǒng)對(duì)有機(jī)廢水亦具有優(yōu)異的降解能力。

圖8 PEC-MFC與EC-MFC耦合系統(tǒng)降解RhB效果Fig.8Removal of RhB in PEC-MFC system and EC-MFC system

2.7 能源消耗與電能輸出

目前，降低反應(yīng)器的運(yùn)行成本也是污水處理研究中亟待解決的問題之一。我們用單位電能消耗量(EEO)評(píng)估反應(yīng)體系對(duì)外界能源的消耗量。EEO表示降解單位體積中90%的污染物所需要的電能。計(jì)算方程式如下所示。P為光照強(qiáng)度，單位kW；t為降解90%污染物所需的時(shí)間，單位min；V為反應(yīng)液體積，單位L；c0，c分別表示反應(yīng)液初始濃度及最終濃度。

研究中采用50 W鹵素?zé)簦鈴?qiáng)為1.99 mW· cm-2。通過計(jì)算我們得知有光照的PFC-MFC體系及無光照的EC-MFC體系的單位電能消耗量為0.895和0 kWh·m-3，而單純光催化體系單位電能消耗量為2.687 kWh·m-3，為PEC-MFC體系的3倍。

從圖9我們PEC-MFC的最大輸出功率可以達(dá)到0.12 V，隨著pH值的降低，輸出功率逐漸升高，當(dāng)溶液pH值為3時(shí)，最大輸出電壓可以達(dá)到0.476 V。一方面，pH值降低可以促進(jìn)BiVO4表面產(chǎn)生更多高活性的·OH從而促進(jìn)光電催化反應(yīng)；另一方面, H+可以提高溶液的導(dǎo)電性，降低PEC-MFC的電池內(nèi)阻。不同pH值條件下的功率密度分別為46.88，82.06，755.25 mW·m-2，雖然目前PEC-MFC尚不能滿足能量?jī)舢a(chǎn)出，但其高效低耗或?qū)⒊蔀槲鬯幚淼男纶厔?shì)，特別是EC-MFC系統(tǒng)不消耗外界能量，在無光條件下亦可降解污染物輸出電能。對(duì)于PECMFC，EC-MFC的產(chǎn)電量的提高需要進(jìn)一步研究。

圖9 PEC-MFC在不同pH條件下輸出電壓(a)與輸出功率(b)對(duì)比Fig.9Voltage and power density of PEC-MFC under different pH values

3 耦合體系陰極降解污染物機(jī)理研究與探索

通過以上研究可以證實(shí)PEC-MFC體系可產(chǎn)生多條污染物氧化降解路徑，如圖10所示。

圖10 光催化耦合微生物燃料電池反應(yīng)器及原理示意圖Fig.10Schematic illustration of the PEC-MFC mechanism on the BiVO4photocatalyst under visible-light irradiation

其原理是：在陽(yáng)極，產(chǎn)電微生物通過新陳代謝作用消耗有機(jī)碳源CH3COONa，向外供給電子。電子通過外電路傳遞到達(dá)陰極。在陰極，光催化劑受光激發(fā)產(chǎn)生光生電子與空穴，形成高氧化性地光生空穴、·O2-及·OH活性氧化物種，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的氧化。陽(yáng)極引起的電極電位偏壓促進(jìn)了光生電子-空穴對(duì)的分離，提高光電效率[19-23]。

為了探究PEC-MFC體系中主要氧化物種，實(shí)驗(yàn)探究了叔丁醇(0.26 mol·L-1)對(duì)光催化體系，PECMFC體系EC-MFC體系的作用。叔丁醇是一種常用的·OH捕獲劑，兩者間的反應(yīng)如方程式

圖11 叔丁醇和KI對(duì)光催化體系降解效果的影響Fig.11Influence of TBA and KI in photocatalytic reaction

圖12 叔丁醇和KI對(duì)PEC-MFC體系降解效果的影響Fig.12Influence of TBA and KI in PEC-MFC system

圖13 叔丁醇和KI對(duì)EC-MFC體系降解效果的影響Fig.13Influence of TBA and KI in EC-MFC system

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11，12，13，在光催化體系和ECMFC體系中，加入叔丁醇后光催化活性明顯降低，這說明·OH作為光催化體系主要的氧化物種，由于叔丁醇的加入中斷了整個(gè)自由基反應(yīng)鏈而抑制了·OH對(duì)污染物的氧化作用。在EC-MFC體系中，反應(yīng)1 h后，其降解速率又逐漸升高，這是因?yàn)樗砑邮宥〈家驯煌耆磻?yīng)，從側(cè)面反映出EC-MFC體系產(chǎn)·OH速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光催化體系。而在PEC-MFC耦合系統(tǒng)中(圖12)，加入叔丁醇不僅未抑制催化活性，反而使得催化活性大幅度提高。這可能是因?yàn)槭宥〈疾粩嗖东@·OH，使得反應(yīng)(3)不斷向正方向運(yùn)行，促進(jìn)了·O2-的生成，此時(shí)系統(tǒng)中主要的氧化物種為·O2-和空穴。

KI為常用的空穴捕獲劑，當(dāng)反應(yīng)體系中加入3×10-5mol·L-1KI時(shí)，從圖12，圖13我們可以看出PEC-MFC耦合系統(tǒng)與EC-MFC耦合系統(tǒng)的降解效率驟增，這可能是由于KI捕獲空穴，促進(jìn)了偏壓激發(fā)形成的電子/空穴對(duì)的分離，因來自陽(yáng)極不斷輸出而到達(dá)陰極的電子形成自由基，未明顯影響污染物去除(對(duì)照曝氣不加KI去除曲線)。值得注意的是，在EC-MFC耦合系統(tǒng)中加入KI，仍然提高了污染物的去除效率?？赡苄纬纱蔚馑岬难趸饔靡泊龠M(jìn)氨氮降解和去除。

此外，從圖12，13中我們可以看出在無氧條件下，污染物降解效率極低，再次證明氧氣是PECMFC耦合系統(tǒng)主要影響因素。

4 結(jié)論

光催化-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)將光催化與微生物燃料電池有效結(jié)合，不僅提高污染物的降解效率，同時(shí)提高產(chǎn)電，是一種高效低耗的水處理方式。本研究結(jié)果表明：(1)采用水熱合成法，控制反應(yīng)溫度、時(shí)間與前驅(qū)液pH值等可合成具有光催化活性的單斜晶型BiVO4；(2)PEC-MFC耦合體系在中性偏酸條件下對(duì)氨氮廢水具有良好的降解效果，且O2是耦合體系的主要決定因素；(3)PEC-MFC耦合體系與EC-MFC耦合體系對(duì)染料廢水具有良好的降解效果，偏酸性條件下(pH=5)，2 h內(nèi)均能達(dá)到95%以上的降解率；(4)在最優(yōu)條件下，PEC-MFC最大輸出電壓為0.476 V，最大輸出功率為755.25 mW·m-2；PEC-MFC體系與EC-MFC體系的單位電能消耗量?jī)H為0.895和0 kWh·m-3，證明了PECMFC體系與EC-MFC體系是一種高效低耗的新體系，或?qū)⒊蔀槲鬯幚淼男纶厔?shì)；(5)機(jī)理研究說明PEC-MFC體系可產(chǎn)生多條氧化路徑，形成具有高氧化性的·OH、光生空穴等多種活性物種，對(duì)難降解污染物具有極大降解潛力。

雖然對(duì)光催化-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但是仍處于初級(jí)階段。今后有待深入研究和發(fā)展的方向包括：(1)提高光催化劑的反應(yīng)活性和導(dǎo)電性，提高光量子產(chǎn)率及光能利用率；(2)進(jìn)一步探究光催化-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)反應(yīng)機(jī)理；(3)選擇篩選陽(yáng)極產(chǎn)電微生物，降低陽(yáng)極電子采集與運(yùn)輸阻力；(4)進(jìn)行光催化-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)的放大與工業(yè)化等。隨著研究的逐步深入，光催化-微生物燃料電池耦合系統(tǒng)將為廢物處理及資源化再生利用提供新契機(jī)。

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Contaminants Removal by BiVO4Photocatalyst in PEC-MFC Coupling System

LI YunLIU Li-Fen＊
(School of Food and Environment,Dalian University of Technology,Panjin Campus,Panjin 124421,China)

BiVO4was successfully synthesized via hydrothermal method,and was introduced into brand-new coupled PEC-MFC and EC-MFC system.The efficiency of BiVO4/PEC-MFC system in removing NH4+-N and RhB as the model pollutant,and the energy consumption were studied.Both in the PEC-MFC system and EC-MFC system with visible light illumination,95%of RhB can be removed in 120 min.The results demonstrate that the PEC-MFC system shows higher efficiency in converting NH4+-N in weak acidic condition,and oxygen is the decisive factor in the coupling system.The electrical energy per order of PEC-MFC and EC-MFC system are 0.895 and 0 kWh·m-3,respectively.The maximum cell voltage 0.427 V and power density 755.25 mW·m-2can be achieved in the coupled bio-electrochemical and photo-electro-catalytic reactor.The effect of TBA(tetra butyl alcohol)and KI on the PC,PEC-MFC and EC-MFC system was studied for exploring the main oxidative species and pathways(highly active·OH,·O2-),and for elucidating the coupling mechanisms in PEC-MFC.

microbial fuel cell;photoelectrocatalysis;contaminants removal

TQ426.6

A

1001-4861(2016)06-1055-08

10.11862/CJIC.2016.139

2016-01-22。收修改稿日期：2016-04-20。

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.21177018)資助項(xiàng)目。

＊通信聯(lián)系人。E-mail：lifenliu@dlut.edu.cn