文摘
生产可再生能源的潜力,发展绿色技术和处理废水的微生物燃料电池(MFC)。尽管有一些进步,这种方法仍然存在一些严重的问题。在目前的工作中,我们解决问题的有机基质在MFC,必要的退化的金属离子结合的生产能量。水果废弃物作为碳源的利用率是强烈建议在早期的研究中。因此,芒果皮被用作基质在当前的研究中。25天内操作,102 mv电压达到了13天,而Cr的降解效率3 +为69.21%,有限公司2 +是72%,倪2 +是70.11%。程序执行批处理模式,和没有连续喂养的有机基质。此外,一个详细的解释的假设机制提供了这次调查,其重点是金属离子降解的过程。最后,未来和结束语也附上。
1。介绍
重金属危害环境。重金属的剧毒和非生物降解的品质影响人类健康和生态系统,特别是因为它们用于工业和产生有害的废水(1,2]。当这些废水生物蓄积在食物链中,人类将会暴露在有毒物质,随后,可以严重影响3,4]。这些金属的放电通过受污染的废水进入水体造成水污染。因此,治疗重型金属废水是必需的(5]。然而,污水处理的技术也需要克服某些问题。传统的医治方法中包含的重金属废物需要高运营成本和不环保6- - - - - -8]。干净的水越来越重要的今天,废水处理新方法的发展,可持续发展和经济是接受一些关注9]。技术中显示有前途的结果从废水中重金属复苏和发电同时被称为微生物燃料电池(MFC) [10,11]。MFC技术可以克服传统治疗方法的缺点由于其要求低操作成本和环保的性质(12]。MFC是一种技术,可以将基本有机化合物的化学能量如醋酸钠和葡萄糖转化为电能而同时去除污染物(13]。最简单的MFC阳极和阴极室,通常由一个质子交换膜分隔限制电解质运动(14]。细菌在阳极室协助电子交通的活动有机的电极,这是与减少氧气在阴极室,导致电力生产(15,16]。基于废物的材料从植物的存在艾滋病在MFC的电子和质子的形成。然而,有一个问题关于表现不佳的有机基质对微生物燃料电池中使用的社区,因为它不稳定17]。这个问题是一个系统的重大挫折,因而需要进一步关注提供一种有效的有机废物捕集,可以促进能源的有效供给细菌存在于细胞的产电的过程。MFC的最大价值系统的能力相关的微生物电极降解废物和有害化学物质18]。在这项研究中,使用的植物性废料从芒果MFC收集系统(Mangifera籼)水果,特别是它的皮。基于先前的研究Ajila et al。19在芒果皮),碳水化合物的含量从20.8%到28.2%不等。皮的纤维物质的比例在3.28%到7.40%的范围,更高的中熟皮。果皮含水量为66% - 75%,蛋白质含量为1.76%到2.05%,灰分含量从1.16%到3.0% (20.]。芒果皮有潜力成为一个有益的养分含量高的有机废物。本研究利用芒果皮植物性有机废物的MFC系统在国内废水(Cr3 +、有限公司2 +,倪2 +)。有机废物的效率在促进经济复苏的重金属和同时使用MFC发电的能源。
2。实验的细节
2.1。材料和试剂
芒果皮废料(来自当地的水果市场),带水,硝酸铬nonahydrate,六水合硝酸钴,镍六水合硝酸(所有化学品都从Sigma-Aldrich购买)和蒸馏水(DI)被用于这项研究。
2.2。微生物燃料电池组装和操作
自来水是收到了,100 ppm的铬、钴、镍离子废水处理中引入。补充后,自来水是现在公认为本研究合成水。自来水的物理化学性质,总结了合成水表1。的仪器用于分析温度、pH值、和电导率的水龙头和合成水域是一个温度计,酸度计,分别和电子仪表。芒果皮得到从附近地区水果市场,然后被洗后切成小块。500毫升的混合合成水和0.5公斤的芒果皮浪费一院制是放置在MFC。室的体积是600毫升。本研究使用一个电极作为负极,10厘米的高度和半径为1厘米。两个电极的尺寸10厘米×1厘米(h×r)作为多个阳极。电极的表面积计算是69.13厘米2。阳极和阴极电极之间的距离是12厘米。电极与对方用铜线来帮助交通电子从阳极到阴极,和500Ω的外部阻力后提供3天的开路电压。观察电压值减少外部电阻实现后,但它慢慢恢复。应该使用一个大电阻时没有电压恢复,而应选择较小的外部阻力值,电压的值没有显著变化(21]。对于这个工作,MFC操作在室温25天。
2.3。电化学测试
每一天,细胞的电压是评估使用万用表。当前测量的效率通过计算功率密度(PD)和电流密度(CD)。计算的CD、PD和内部阻力进行了使用下列方程(22]: 在哪里r表示内部阻力,我表示电流,一个表示表面积,V表示电压输出,R表示外部阻力和E表示电动势(emf)。emf值获得的计算通过对开路电压的测量通过连接电压表的阻力的存在(23]。氧化还原反应是使用循环伏安法检查。每10天的反应,使用稳压器简历被记录,和使用的扫描速率与潜在从10 mV / s + 0.8 V−0.8 V。通过使用“Rext-variation”计划,设置的极化行为进行了研究,一个变量的5000 - 100Ω电阻箱适用于外部电阻控制。极化曲线分析的pseudosteady状态后进行操作。大约30分钟的变化时间被要求观察系统的极化行为。阳极电阻对电压的影响是另外检查使用电化学阻抗谱(EIS)。使用的频率范围从100千赫至100兆赫。
2.4。金属降解和生物膜的研究
原子吸收光谱仪(AAS)的仪器用于研究金属回收废水。这个仪器是用于测定金属离子的浓度。每5天之后,大约2毫升的MFC的样本收集设置进行分析。基于原子吸收光谱法分析结果,降解效率(%)是计算使用以下方程: 在哪里“透明国际”表示初始浓度和特遣部队表示最终的浓度。电极上的生物膜的增长表明有效的金属加工和能源生产。扫描电子显微镜(SEM)被用来研究电极生物膜的形态。
3所示。结果与讨论
3.1。电压趋势
代的电压发生在金属降解过程中,发生在MFC操作如图1。手术持续了25天,使用相同的外部电阻(500ῼ)。在13天的操作,电压为102 mV被报道达到峰值点。研究结果表明,电压开始生产低价值和稳步攀升,直到达到顶峰在13点th的一天。14天的连续操作后,电压下降趋势开始显现。电压的产量下降表明细菌物种达到死亡的阶段。已经过去几天后,观察显示,仍有一个倾向较低的电压。这表明exoelectrogens无法重新控制有机底物的氧化过程,结果,过程是向前发展的结论。根据这一研究,最高电压达到13天。尽管如此,一些研究已经表明,在电压最高的也是一个好的指标显著改变金属的状态从溶不溶性状态(21,23,24]。
3.2。极化行为
此外,利用各种外部电阻极化性能研究比较CD, PD,电压的关系。它已经确定,使用图2,电压和CD成反比的关系。当电压下降,电流密度(CD)上升。在500年ῼ,PD最多0.099 mW / m2,但在5000年ῼ,它只提供了0.060 mW / m2。重要的是成功的电子转移,内部阻力和外部阻力应该一律平等。外部环境的阻力就越大,电子交通越低。当外部阻力低,潜在不稳定尽快将否则,但电子仍,在足够高的水平。高电子运动造成的不稳定电压。是有记录以来的最大CD 31.57 mA / m2。外部的阴极反应速率进一步提高了氧气的供应,这导致了稳定的电压代虽然增加了阻力。734.0ῼ内部阻力。一些研究使用类似的方法来描述如何在电化学能源生产燃料系统(24- - - - - -27]。
3.3。电化学阻抗谱
AnEIS-Nyquist曲线绘制了评估提供的燃料的电荷转移电阻电路模型。EIS测量完成后执行程序,可以看到在图3。这个测量是包括在这项研究中。根据研究,一条直线与一个高Z′图像(欧姆)表明电子运输率低,而一个半圆或semibent行显示了一个高速率尽管低Z′图像(欧姆)28]。目前的研究表明,semibent行Z′的开始真正的(欧姆)表明,电子运动,但后来直线表明没有高电子运动。这是通过对比发现两种类型的线。在大多数情况下,高水平的电子迁移率可以推断出从减少内部阻力,以及从一个半圆的形式。有可能那个可怜的电子迁移率将会从内部阻力高于外部阻力。
3.4。循环伏安法和特定的电容
在操作期间,简历研究在各种不同的时间录音。图表说明金属进行氧化和还原的倾向在不同的时间段。我们可以看到在图4(一),MFC操作显示最大电流在正向和反向扫描速度。马向前扫描显示,目前为0.00001 5天,0.00002 mA 10天,和0.000045 mA在25天的周期。的方式类似,反向扫描显示当前−0.0000 mA 5天,−0.00001 mA 10天,−0.000025 mA在25天的周期。25天,向前和向后扫描显示,当前在尽可能高的水平。向前扫描和反向扫描提供信息的速率废水中的金属离子被氧化或减弱,分别。氧化和还原峰达到了最高点25天,减少氧化达到峰值0.08 V和峰值达到−0.8 V。另外,简历曲线是用来计算Cp值过程中在不同的时间间隔。在MFC的操作过程中,Cp值证明生物膜生产的速度以及稳定性。这是显示在图4 (b)。Cp率高证明的成熟生物膜发展越来越接近循序渐进的基础上。Cp读数已经减少的趋势,这表明生物膜的形成是中断,因此,生物膜不运转。根据这次调查的结果,Cp的浓度从0.00002增加5到0.00014天第二天25。很明显,生物膜,过了一段时间过去了,达到了稳定和发展在阳极表面不被破坏。类似的推理是紧随其后的是香港et al。29日)为了证明生产和恒常性的生物膜。
(一)
(b)
3.5。降解的金属
调查结果退化的金属离子如表所示2。通过使用金属的退化实验系统是一个新兴的最有前途的和先进的方法,特别是在与MFC。当前研究呈现小说发现降解的金属离子在合成水。随着过程接近结束,有一个渐进改善金属降解的效率。与先前的研究的结果相比,这里介绍的是相当有趣的。在这个研究,降解效率超过70%。提供的数据表明,金属离子浓度降低了合成水治疗。
3.6。通过扫描电镜生物膜研究
收集不同种类的细菌在阳极电极生物膜是由什么构成的。生物膜监督能源发电和输电,以及金属降解。在过程中,生物膜中产生自然的方式没有任何外界的帮助。大约有97%的生物膜是由水、胞外聚合物材料(系统),3% - -6%和2% - -2%细菌物种(21,30.]。胞外聚合物物质是生物膜的主要成分,同时负责细菌的活动产生电子和分解金属(31日]。它是该地区的生物膜,其中包含最水的内容。生物膜的年龄是由每股收益,每股收益的有效性取决于有机底物的可用性。此外,EPS组成的组件包括多糖40 - 95%,1 - 60%的蛋白质,40%脂质和核酸(5%以上32,33]。有机基质改善EPS的功能,最终导致生物膜,持久和鲁棒性。根据先前的简历数据,现有的生物膜似乎高度的稳定性。另一方面,电极表现出生物膜的扫描电镜图像数据所示5(一)和5(b)。用扫描电子显微镜(SEM)照片显示,包含生物膜的阳极电极表现出正常的增殖的细菌物种(图5(a))。因此,细菌行为和环境修复的稳定是非常有用的工具。此外,扫描电子显微镜(SEM)检查阳极表面生物膜显示出相似的形状。的存在导电pili-type细菌物种的存在表示杆灯丝结构阳极电极生物膜。根据许多研究的结果,杆状和丝状细菌种类的附属结构特征的导电pili类型(21,24,27]。最常提到的导电pili物种肺炎克雷伯菌,不动杆菌,埃希氏杆菌属,芽孢杆菌,Lysinibacillus(24,34]。
4所示。目前的研究机制
MFC依赖细菌活动金属离子生产、运输、和减少。在文献中,许多细菌物种,包括芽孢杆菌,克雷伯氏菌,埃希氏杆菌属,放线杆菌,是众所周知的exoelectrogens [21,24]。在目前的调查,芒果皮的浪费是用作几种有机底物的细菌。芒果皮废料开始为多糖,但它最终将转化为简单的葡萄糖。这进一步将葡萄糖氧化细菌物种,这将导致电子和质子的生产。氧化和还原反应,被认为在这个调查可以表现在以下方式:
已经过去了一段时间后,电子和质子,产生从一个阳极电极阴极电极氧化过程。因为只有一个室在MFC,质子能够通过无阻塞从阳极到阴极室。之前可以发送电子从阳极阴极电极,他们必须首先经过一系列步骤,包括许多过程。细菌细胞的来源,这些电子。受到最多关注的机制讨论在接下来的段落,也显示在图6。(一)为了把电子从阳极细菌细胞,redox-active蛋白质如OmcS OmcZ, OmcB, OmcT, OmcE使用。这些蛋白质负责电子的传输。这种机制是由的家庭使用核废料旁边传递电子。(b)短程电子转移是一个额外的方法,可用于成功传递电子。执行这个过程,细菌利用自己的自产降低航天飞机以及氧化航天飞机。这两个Desulfuromonadaceae和Geobacteraceae家庭可以产生自己的电子航天飞机。电子航天飞机的组件包括某些分子如OmcA MtrF, MtrE和地铁。(c)细菌数量的能力长距离传输电子依赖于细菌的导电菌毛。导电的金属外观,但事实上,它是一个组件的细菌体内,被用来携带电子直接从阳极的细菌的细胞35]。
此外,细菌的生物膜研究和分析后,发现目前的研究遵循远程电子转移的机制。这是发现在分析生物测试。此外,生物膜的扫描电子显微图显示杆状结构的存在,表明所有的发现物种的导电类型的细菌物种。根据所有的证据(生物测试和早些时候发表的研究),细菌物种的导电pili负责电子转移,被认为在这个调查。在氧化还原反应中,可溶性金属离子有效地转化为不溶性的状态。不溶性条件的形式被发现污泥,就像前面提到的句子。此外,原子吸收光谱法测试的结果只表示仍然存在的大量的金属离子在水样本。的金属离子被更改为氧化物,和泥物质的MFC,因为这种转变。根据以前的文献,提取的金属离子氧化变成他们的形式,产生的污泥含有金属的氧化物形式(21,24,36]。下面是一个机制的生物事件,发生在金属还原:(我)减少铬3 + (2)减少倪2 + (3)减少公司2 +
5。结论和未来的建议
目前的研究集中在使用MFC的残余芒果皮生成能源和降低金属离子。可以测量的电压最大的水平是102 mV。许多细菌物种的存在表明,金属阳极表面降解过程一直有效。此外,数据显示,知名exoelectrogenic细菌被发现的物种MFC操作正在进行。有利的细菌活动发生的氧化有机基质负责金属降解效率高。它表明,有机底物进行了激烈的氧化过程,导致大量的电子作为副产品的生产。目前电化学测量,另一方面,展示一个能源效率远低于之前的研究。进行深入研究和分析后,达成的结论是,尽管贡献因素,能源效率的下降。调查显示,有一个错误的电子运输,即电子没有交付给阴极在一个有效的方式。正是由于电极的质量调查,目前利用商业石墨电极,在妥善转移电子并不成功。 Electrodes that are based on derivatives of graphene should be used since they are highly conductive and modern materials. This will result in improved electron transport. For the electrode material to be effective over the long term, it must be biocompatible, chemically stable, ultraconductive, and thermally balanced. The problems that need to be overcome to get the MFC to the level of commercial viability may be tackled with the collaboration of professionals from various sectors, including microbiology, material science, and bioelectrochemistry.
数据可用性
所有的数据用来支持这个研究的发现包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
Ghada Mohamed Aleid和Anoud沙特Alshammari同样导致了这项工作。