化學(xué)氧化改性對(duì)碳?xì)挚諝怅帢O表面特征的影響

　　電極表面催化劑擔(dān)載量是影響電極性能的直接因素，而化學(xué)改性將影響電極吸附催化劑的擔(dān)載量，下面是小編搜集整理的一篇探究化學(xué)氧化改性對(duì)碳?xì)挚諝怅帢O表面特征影響的論文范文，歡迎閱讀查看。

　　微生物燃料電池(MFC)是一種可以將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能同時(shí)處理廢水的新型電化學(xué)裝置。但輸出功率低、運(yùn)行費(fèi)用高且性能不穩(wěn)定等嚴(yán)重制約了MFC的實(shí)際應(yīng)用。影響MFC性能的主要因素有產(chǎn)電微生物、陰極催化劑、電極材料、反應(yīng)器構(gòu)型及運(yùn)行參數(shù)等。其中，陰極是影響MFC性能及運(yùn)行成本的重要因素。目前，有學(xué)者通過篩選電極材料及對(duì)電極材料進(jìn)行改性來提高M(jìn)FC性能和降低成本，效果較為顯著。因此，筆者采用HNO3氧化碳?xì)�，制作改性碳�(xì)挚諝怅帢O，研究化學(xué)氧化改性對(duì)碳?xì)挚諝怅帢O表面特征的影響;并通過循環(huán)伏安測(cè)試，考察改性后碳?xì)株帢O的穩(wěn)定性。

　　1材料與方法

　　1.1試驗(yàn)裝置及材料

　　采用連續(xù)流運(yùn)行方式，試驗(yàn)裝置主體是由有機(jī)玻璃制成的圓柱體，中間陽極室有效容積為36mL(內(nèi)徑為2cm，高為11.5cm)，為確保陽極室的厭氧環(huán)境，用密封柱密封。陰極在陽極室外側(cè)壁圍繞。裝置總?cè)莘e為3.92L，密封蓋上有陽極孔、陰極孔及檢測(cè)孔，以便用銅導(dǎo)線、鱷魚夾來連接外電路，外接1000Ω電阻作為負(fù)載。進(jìn)水口設(shè)計(jì)在底部中央，制備成無膜上升流式反應(yīng)器。陽極是直徑為1cm的碳棒，陰極是厚度為3cm的碳?xì)�，輸出電壓由萬用表采集。

　　1.2原水水質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)

　　垃圾滲濾液取自沈陽市老虎沖垃圾填埋場(chǎng)的集水井，其水質(zhì)如表1所示。接種微生物為取自UASB反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥，接種量為25mL。啟動(dòng)期的進(jìn)水流量控制在30mL/h，COD約為500mg/L。穩(wěn)定運(yùn)行后進(jìn)水流量逐步提升到90mL/h，COD提升到1500mg/L。

　　裝置在32℃下恒溫運(yùn)行。MFC接種厭氧污泥后，先用COD為1000mg/L的垃圾滲濾液馴化一個(gè)周期，使陽極的產(chǎn)電微生物成功掛膜，MFC運(yùn)行穩(wěn)定后，再以COD為1500mg/L的垃圾滲濾液作為陽極進(jìn)水。

　　1.3改性碳?xì)挚諝怅帢O的制備

　　陰極預(yù)處理:將碳?xì)旨舫伤�需尺寸，然后浸泡�?mol/L的鹽酸溶液中，目的是去除碳?xì)种械碾s質(zhì)離子，24h后取出，用去離子水反復(fù)清洗直至清洗液為中性，放入105℃烘箱中干燥2h。

　　碳?xì)指男?將預(yù)處理過的碳?xì)纸��?5%～68%的濃硝酸中，用水浴加熱至75℃，處理不同時(shí)間后取出并用蒸餾水反復(fù)清洗直至清洗液為中性，放入105℃烘箱中干燥2h。

　　催化劑吸附:將經(jīng)改性后的碳?xì)址湃隖e/C催化劑溶液(硝酸鐵濃度為0.25mol/L，活性炭粉為1g)中，于磁力攪拌器上攪拌30min，然后取出碳?xì)址湃?05℃烘箱中烘干。

　　1.4分析項(xiàng)目和方法

　　外電阻R通過可調(diào)電阻箱控制，電壓由萬用表直接讀取，功率密度P通過公式P=U2/RV計(jì)算得到，其中U為電池電壓，V為陽極室體積。

　　表觀內(nèi)阻采用穩(wěn)態(tài)放電法測(cè)定。

　　循環(huán)伏安測(cè)試以飽和甘汞電極作為參比電極，采用傳統(tǒng)三電極體系，電化學(xué)工作站為EC705型。

　　電極電導(dǎo)率采用伏特計(jì)測(cè)定，COD采用快速密閉消解法測(cè)定，NH+4-N采用納氏試劑光度法測(cè)定。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1改性時(shí)間對(duì)催化劑擔(dān)載量的影響

　　電極表面催化劑擔(dān)載量是影響電極性能的直接因素，而化學(xué)改性將影響電極吸附催化劑的擔(dān)載量(如表2所示)。碳?xì)纸?jīng)過HNO3化學(xué)氧化處理不同時(shí)間后，其質(zhì)量均出現(xiàn)一定程度的減少，且隨著處理時(shí)間的增加，單位質(zhì)量碳?xì)譁p少量也逐步增加，同時(shí)，單位質(zhì)量碳?xì)炙�吸附催化劑的量也增加。這是由于HNO3的氧化作用使碳?xì)纸Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，表面溝壑加深加密，粗糙度和表面積增加。同時(shí)碳?xì)直砻娴腍+易被催化劑Fe3+取代，也有利于陰極催化劑的吸附。

　　2.2化學(xué)改性時(shí)間對(duì)電導(dǎo)率的影響

　　電極電導(dǎo)率是表征電極性能的重要參數(shù)之一�？疾炝颂�?xì)挚諝怅帢O化學(xué)改性時(shí)間對(duì)其電導(dǎo)率的影響，結(jié)果如圖1所示�！緢D1】

　　從圖1可以看出，經(jīng)改性后碳?xì)挚諝怅帢O的電導(dǎo)率明顯提高，且隨著處理時(shí)間的增加，電導(dǎo)率升高，當(dāng)化學(xué)改性時(shí)間達(dá)到6h后，電導(dǎo)率趨于穩(wěn)定。

　　這是因?yàn)樘細(xì)志哂惺�墨層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間主要是以范德華力相結(jié)合，故層間較易引入其他分子、原子或離子而形成層間化合物。應(yīng)用HNO3處理碳?xì)謺r(shí)，HNO3分子嵌入層間，同時(shí)吸引石墨電子，使其內(nèi)部空穴增多，因此大大提高了碳?xì)值碾妼?dǎo)率。當(dāng)碳?xì)謱娱g嵌入的HNO3分子達(dá)到飽和時(shí)，將不再影響碳?xì)值碾妼?dǎo)率。

　　2.3改性時(shí)間對(duì)MFC電化學(xué)性能的影響

　　2.3.1對(duì)產(chǎn)電性能的影響

　　分別選取經(jīng)HNO3氧化0、2、4、6、8、10h的碳?xì)种苽涮細(xì)挚諝怅帢O，并以石墨棒為陽極，垃圾滲濾液為燃料構(gòu)建MFC，進(jìn)行產(chǎn)電試驗(yàn)。極化曲線斜率和功率密度是表征MFC產(chǎn)電性能的兩個(gè)重要參數(shù)，因此，通過測(cè)定輸出電壓和電流等參數(shù)，分別得到極化曲線和功率密度曲線(見圖2、3)。整個(gè)試驗(yàn)過程保持進(jìn)水流量為120mL/h，反應(yīng)溫度為32℃。從圖2可以看出，經(jīng)HNO3改性的碳?xì)挚諝怅帢OMFC的極化都經(jīng)歷了活化極化、歐姆極化和濃度極化三個(gè)階段。隨著HNO3改性時(shí)間的延長(zhǎng)，活化極化、歐姆極化和濃度極化損耗逐漸減小，電池的極化曲線斜率逐漸減小，即表觀內(nèi)阻逐漸降低;當(dāng)改性時(shí)間為6h時(shí)，極化曲線斜率達(dá)到最小，表明此時(shí)表觀內(nèi)阻最小(358Ω)。之后，隨改性時(shí)間的增加，極化曲線斜率增大，即表觀內(nèi)阻增大�！緢D2-3】

　　由表1可以看出，陰極催化劑擔(dān)載量隨著改性時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，這說明隨著催化劑量的增多，促進(jìn)了陰極反應(yīng)的進(jìn)行，從而降低了電池的表觀內(nèi)阻。但是催化劑量并不是越多越好，過多反而會(huì)增加電池的內(nèi)阻，從而降低了其產(chǎn)電性能�！颈�1】

　　從圖2還可知，經(jīng)HNO3處理過的碳?xì)株帢OMFC的極化曲線斜率明顯小于未處理過的碳?xì)株帢OMFC的(未處理時(shí)MFC的表觀內(nèi)阻為1423Ω)，說明通過HNO3化學(xué)氧化碳?xì)�，可以有效減小MFC的表觀內(nèi)阻。

　　由圖3可以看出，隨著處理時(shí)間的增加，電池的功率密度同樣經(jīng)歷了一個(gè)先增高再降低的過程，與圖2的規(guī)律基本一致。其中當(dāng)處理時(shí)間為6h時(shí)，電池的產(chǎn)電性能最好，最大功率密度達(dá)到6265.67mW/m3，較未經(jīng)HNO3處理的MFC的最大功率密度(1838.46mW/m3)增大了2.4倍。由此可知，通過HNO3化學(xué)氧化改性碳?xì)挚諝怅帢O是改善MFC產(chǎn)電性能的有效方式之一。

　　2.3.2對(duì)CV曲線的影響

　　循環(huán)伏安法(CV)是表征MFC放電容量的重要方法之一�；瘜W(xué)改性碳?xì)挚諝怅帢OMFC的CV曲線如圖4所示。其中，掃描速度為50mV/s，掃描范圍為-1～1V。掃描曲線以下的積分面積代表了電池的放電容量。由此可知，隨著處理時(shí)間的增加，放電容量先增加后減小，化學(xué)氧化時(shí)間為6h時(shí)，構(gòu)建的MFC放電容量最大，即MFC性能最好。綜上所述，HNO3化學(xué)氧化碳?xì)挚諝怅帢O的最佳時(shí)間為6h。【圖4】

　　2.4MFC的產(chǎn)電除污穩(wěn)定性

　　2.4.1產(chǎn)電性能穩(wěn)定性

　　對(duì)經(jīng)HNO3化學(xué)氧化處理6h的碳?xì)挚諝怅帢OMFC進(jìn)行了CV測(cè)試，共進(jìn)行了21次循環(huán)掃描，結(jié)果表明:隨著循環(huán)次數(shù)的增加，曲線形狀幾乎沒有改變，第1、6、11、16、21次的循環(huán)伏安曲線基本重合，面積近乎恒定，即放電容量幾乎沒有變化，說明電池性能比較穩(wěn)定，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

　　在其他條件不變的情況下，采用經(jīng)HNO3氧化6h的碳?xì)肿鳛殛帢O，保持進(jìn)水流量為120mL/h，外接1000Ω電阻持續(xù)運(yùn)行14d，每天記錄輸出電壓。

　　在最初的3d內(nèi)，輸出電壓從62mV增加到483mV，第4天達(dá)到最大為492mV，接下來的一周則穩(wěn)定在470mV左右。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電壓略有下降，這可能是陽極室溶液的不斷流動(dòng)，沖刷陽極，帶出一定量產(chǎn)電菌同時(shí)增加了電池的內(nèi)阻所致，但總體上電池的運(yùn)行比較穩(wěn)定。

　　2.4.2除污性能穩(wěn)定性

　　采用經(jīng)HNO3化學(xué)氧化6h的碳?xì)肿鳛殛帢O、石墨棒作為陽極、外接1000Ω電阻的MFC，以連續(xù)流方式處理垃圾滲濾液。試驗(yàn)過程中原水COD為(2376±200)mg/L，NH+4-N為(151±10)mg/L，保持進(jìn)水流量為120mL/h、溫度為32℃，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，反應(yīng)初期(1～5d)，出水COD濃度急劇下降，之后出水COD濃度逐漸趨于穩(wěn)定。【圖5】

　　COD由初始的(2376±200)mg/L降到(238±15)mg/L，去除率達(dá)到89.9%～91.2%，高于謝珊等采用兩瓶型MFC處理垃圾滲濾液對(duì)COD的去除率(78.3%)。而氨氮?jiǎng)t由初始的(151±10)mg/L降到(86±5)mg/L，去除率達(dá)到39.3%～46.8%。去除的氨氮中部分以NH+4形式隨水流進(jìn)入陰極室，在陰極室擴(kuò)散到空氣中或轉(zhuǎn)化為其他形式的氮，部分在陽極室作為電子供體被氧化。He等的研究也證實(shí)了氨氮可以作為MFC的燃料。

　　3結(jié)論

　　①碳?xì)挚諝怅帢O吸附的催化劑量隨著HNO3化學(xué)氧化碳?xì)謺r(shí)間的增加而增加，但是過量的催化劑不但不能促進(jìn)反應(yīng)，反而會(huì)增加電池內(nèi)阻從而降低電池產(chǎn)電性能。碳?xì)挚諝怅帢O電導(dǎo)率隨著HNO3化學(xué)氧化碳?xì)謺r(shí)間的增加而增加，并逐漸趨于穩(wěn)定。

　�、陔S著HNO3化學(xué)氧化碳?xì)謺r(shí)間的增加，碳?xì)挚諝怅帢OMFC的功率密度、放電容量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，而極化曲線斜率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。

　�、跦NO3化學(xué)氧化碳?xì)值淖罴褧r(shí)間為6h。陰極改性6h后電池產(chǎn)電性能較穩(wěn)定，最大功率密度比未改性增大2.4倍，達(dá)到了6265.67mW/m3，內(nèi)阻降低到358Ω。

　�、荜帢O改性6h后的MFC處理垃圾滲濾液的性能穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水COD為(2376±200)mg/L、NH+4-N為(151±10)mg/L時(shí)，對(duì)兩者的去除率分別為(89.9%～91.2%)和(39.3%～46.8%)。

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