【论文链接】
http://dx.doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.149
【作者单位】
大连理工大学等
【论文摘要】
在由微生物燃料电池（MFC）和微生物电解电池（MEC）组成的堆叠式生物电化学系统（BES）中实现了W（VI）和Mo（VI）的高效沉积和分离，同时产生氢气，而无需外部能量输入。由1台MEC装置（1#）串联3台MFC装置（2#）组成的堆叠式BES-3-1的性能优于其他模块，1#装置的沉积量为27.6±1.2%（W）和75.4±2.1%（Mo），分离因子为8.1±0.2，产氢量为0.34±0.01 m3/m3 d。2#机组为12.3±0.9%（W）、52.6±2.2%（Mo）和7.9±0.5（分离因子）。对照实验中，含W（VI）的1#和2#的沉积率分别为6.8±1.3%和3.3±0.4%，而含Mo（VI）的1#和2#的沉积率分别为65.1±3.2%和45.2±0.9%。用1#或2#装置以及W（VI）和Mo（VI）的混合物的对照实验沉积15.3±1.7%（W）和60.1±1.6%（Mo）（仅1#）和12.9±1.3%（W）和56.1 2.0%（Mo）（仅2#）。酸化后阴极液的再利用实现了W和Mo的完全分离。这项研究证明了堆叠的BES用于W和Mo沉积和分离同时制氢的可行性。W（VI）和Mo（VI）物种的双重益处以及堆叠BES模块中2#单元对1#单元的有利影响是实现高效性能的关键。
【实验方法】
BES装配：
在所有实验中使用相同的双室BES，各室由阳离子交换膜隔开。多孔石墨毡用作阳极，而不锈钢板用作阴极。在安装之前，用砂纸对不锈钢板进行机械抛光，并用乙醇和去离子水进行清洁。每个BES单元的阳极室和阴极室的操作体积均为14 mL。
如图1所示，研究了9种BES运行配置，包括最少2个和最多6个BES单元，其中BES-1-1表示串联的2个单元，而BES-2-1、BES-3-1和BES-4-1分别表示串联连接到单个单元的2个、3个和4个并联单元。类似地，并联单元也分别与其他并联单元和单个单元串联连接。为了便于表达，这些模块中的反应器单元依次表示为1#、2#和3#。从MFC作为电源和MEC需要外部施加电压（功率输入）的概念中推导出，施加电压一词专门用于说明BES-3-1的2#单元作为驱动力和功率输入到1#单元，类似于前面的描述。与BES-3-1中的2#相关的数据显示为并联连接的单元的平均值，因为单元之间的差异不显著，并且为了清楚起见。采用10倍的外接电阻采集电路电流和输出电压。在阴极室中安装参比电极（Ag/AgCl，195 mV vs.SHE）以测量阴极电位，所有电位均是相对于SHE。所有反应器都用铝箔包裹以确保黑暗，以避免阳极上藻类的生长和阴极上可能的副反
接种和操作：
BES的阳极用来自乙酸盐进料阳极的悬浮细菌接种，所述乙酸盐进料阳极补充有等体积的阳极电解液溶液，以促进样机生物膜适应环境。阳极电解液在去离子水中的组成为（g/L）乙酸钠1.0; KH2PO4,4.4；K2HPO4,3.4；NH4Cl,1.3；KCl,0.78；MgCl2,0.2；CaCl2,0.0146；NaCl,0.5；微量维生素和矿物质。在转移到阳极室之前，用超纯N2气体喷射阳极电解液15分钟以去除残留氧气，而使用去离子水作为阳极外生电原驯化的阴极电解液。驯化过程采用1000 X的外接电阻进行，既适合细菌驯化，又避免了后续产电评估的不准确。在8个阳极电解液更新循环后，当阳极电位稳定在0.23至0.27 V（相对于SHE）时，驯化期完成，如图S1 A所示。然后如图1所示堆叠反应器单元。阴极电解液被Na2WO4和Na2MoO4（各1.0mM）在去离子水中的溶液代替，尽管这两种金属在实际废水中的具体浓度可以在0.05-10.4mM的更大范围内变化。将阴极电解液的初始pH值设定为2.0，溶液电导率设定为3.5 mS/cm，以重现含有W（VI）和Mo（VI）的酸性废水的特性。所有堆叠的BES单元的驯化完成后，两个进一步的补料分批循环刷新，这产生了可再现的电极电位在所有BES（每个操作周期持续4小时）。除非另有说明，否则在每次分批循环操作之前，始终在1.0 M NaOH中清洁不锈钢阴极。
电池的稳定性和预沉积的W和Mo对析氢速率的影响使用堆叠的BES-3-1配置进行了评估，并考虑到总共20个补料分批操作循环，避免了阴极的清洁。本文对BES-3-1的裸电极和1#、2#单元在第10、20次运行后的阴极进行了交流阻抗分析。堆叠BES-3-1配置中的阴极电解液流出物在pH调节至2.5并在恒定溶液电导率（3.5mS/cm）下完全再利用，以实现更高的W和Mo沉积和分离。
进行使用含有W（VI）或Mo（VI）的阴极电解液的对照实验以评估使用这两种金属的混合物对系统性能的影响。在开路条件（OCC）下的进一步控制实验反映了电路电流对金属沉积的影响。用BES 3 -1的1#单元或2#单元进行了其他对照实验，以说明这些反应器单元中的每一个对W和Mo沉积所起的作用。所有堆叠的反应器在室温（25±3℃）下以补料分批模式操作，并且所有实验一式两份进行。在厌氧手套箱中进行接种和溶液更换。
【图文摘取】
【主要结论】
