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生物电化学系统(Bioelectrochemical systems,BESs)是近年兴起的、以微生物为催化剂,将阳极有机废水中的化学能转化为电能,用于阴极生产氢气或有价化学产品的装置,包括微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)和微生物电解池(Microbial electrolysis cells,MECs)。由于氧化性金属离子被BESs阴极还原回收的同时可产生电能,回收金属的BESs研究引起了人们的广泛关注。目前,BESs阴极回收金属较多地关注于单一金属,对混合金属如双金属的回收还不多见。同时,沉积在阴极电极上金属的进一步收集与使用也是BESs回收金属领域亟待解决的重要问题。鉴于此,本论文结合电镀冶金和酸矿废水中常见的典型双组分金属,实现了 BES阴极回收典型双金属过程,借助金属间Cu(Ⅱ)对Cd(Ⅱ)的催化作用、Fe(Ⅲ)对Cr(Ⅳ)的促进作用、以及非金属组分02原位生成的H202对W(Ⅳ)和Mo(Ⅳ)的强化作用,进一步提高BESs阴极回收双金属的性能。通过原位利用沉积在阴极电极上的混合金属钨钼,考察其催化降解和矿化难降解有机污染物甲硝唑和甲基橙性能。主要结果如下:(1)利用钛片、碳布或泡沫镍阴极BESs先在MFCs模式回收混合Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)中的Cu(Ⅱ),后在MECs模式回收Cd(Ⅱ)同时产氢,并考察MFCs模式沉积于阴极电极上的铜对MECs模式Cd(Ⅱ)回收和产氢的影响。发现MFCs模式下三种材料回收Cu(Ⅱ)的性能相近,约为4.79-4.88mg/L/h,但在MECs模式下,碳布回收Cd(Ⅱ)的回收速率最大(5.86 ± 0.25 mg/L/h),泡沫镍最小(4.96 ± 0.48 mg/L/h)。与未沉积铜的空白电极相比,MFCs模式下沉积的铜能促进MECs模式下Cd(Ⅱ)的回收和产氢,分别提高80-320%和100-600%。阴极电极上沉积的铜可降低Cd(Ⅱ)还原和析氢的过电势。(2)探究MFCs阴极Fe(Ⅲ)存在对Cr(Ⅵ)还原的促进作用。当Fe(Ⅲ)为150mg/L时,Cr(Ⅵ)的去除率达65.6 ± 2.2%,是无Fe(Ⅲ)对照的1.6倍。Fe(Ⅲ)的存在能够降低Cr(Ⅵ)还原的过电势和扩散电阻;Fe(Ⅲ)在Cr(Ⅵ)还原过程中起到电子介体的作用。(3)通过MFCs阴极原位生成的H202,高效回收混合W(Ⅵ)和Mo(Ⅵ)。该系统W(Ⅵ)和Mo(Ⅵ)的回收率分别为67.2 士 3.1%和86.4 ± 1.9%,是无H202对照的2.4和1.3倍,且W(Ⅵ)和Mo(Ⅵ)的回收率随着原位H202生成量的增加而增加。光照可进一步提高W(Ⅵ)和Mo(Ⅵ)的回收率:MECs阴极的光照与原位生成的H202协同提高W(Ⅵ)和Mo(Ⅵ)的回收率至 98.1 ± 0.7%(W)和 100 ± 0.4%(Mo)。(4)原位利用MFCs阴极沉积的钼钨构建光-电-芬顿体系,催化降解和矿化典型抗生素甲硝唑和偶氮染料甲基橙。在厌氧或好氧条件,考察降解和矿化甲硝唑时不同钼/钨沉积量和比例的影响,得到厌氧时钼/钨的最佳沉积量为0.24 mg/cm2、好氧时为0.18 mg/cm2,二者的最佳钼/钨比均为0.17:1.0。在光照和Fe(Ⅲ)浓度为10mg/L的好氧条件下,甲硝唑的降解和矿化分别为94.5 ± 1.4%和89.5 ± 1.1%,是无光、无芬顿对照的1.2、1.1倍和1.3、1.2倍。考察降解和矿化甲基橙时的厌氧和好氧效应,发现厌氧利于甲基橙的脱色而不利于矿化,好氧与Fe(Ⅲ)共存利于甲基橙矿化但不利于脱色。光照下,先厌氧(20 min)后好氧(10 mg/L Fe(Ⅲ)、100 min)可使甲基橙完全脱色,矿化率达96.8±3.5%(9.7mg/L/h),分别是完全厌氧、完全好氧、完全好氧与Fe(Ⅲ)共存对照的2.9、1.9和1.3倍。本论文研究结果为混合金属在BESs阴极的回收提供了清洁有效的新方法,丰富了BESs回收金属的阴极作用理论,拓展了 BESs回收金属的应用领域和使用范围,为回收金属的BESs的进一步应用提供了新思路。