Page 200 - 《精细化工》2022年第1期

·190· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

电子受体浓度降低，导致阴极过电势现象严重，阴 MFC，说明丙酮质量浓度为 300 mg/L 时有较好的产
极反应过程缓慢，因而 MFC 产电性能降低。尽管如 电效果，此外，极化曲线的斜率可反映 MFC 的内阻，
此，与现有文献对比，该 MFC 系统产生的功率密度 但通过该曲线发现内阻差别不大。
仍然较低，如 HWANG 等 [19] 通过向单室 MFC 中添加 2.3 电化学性能测试
表面活性剂降解船底含油废水，产生的最大输出功率 分别测试了阳极及阴极的电化学性能，如图 3
2
密度为 225.3 mW/m ；RUGGERO 等 [20] 利用空气阴极 所示。
处理生活 污 水 ， 产 生 的 最 大 输 出 功 率 密 度 为
2
132 mW/m 。本系统产生的输出功率密度低的原因
可能是由于 MFC 系统的容积较大，且中间为离子交
换膜分割，增加了 MFC 的内阻，导致产电性能差，
此外阴极电子受体为氧气及硝态氮，使得阴极产生
过电势现象，导致阴极电化学反应速率缓慢，因而
MFC 的产电效率低 [21] 。然而，与其他研究相比，产
电并不是本研究的初衷，本系统的主要优点在于在
一个反应器内实现了丙酮降解且通过同步硝化反硝
化过程移除氨氮。MFC 输出电压的大小与外接电阻
有关，如图 2b 所示，可看到典型的 MFC 极化曲线，
即随着电流密度的逐渐增加，在初始阶段的电流密
度范围内电压迅速下降（活化损失），在中电流密
度区域内电压缓慢下降（欧姆损失），在高电流密
度区域内，电压迅速下降（浓度损失）。

图 3 阳极循环伏安曲线（a）及阴极线性扫描伏安曲线
（b）
Fig. 3 Cyclic voltammetry curves of anode (a) and linear
sweep voltammetry curves of cathode (b)

图 3a 为不同丙酮质量浓度时阳极的循环伏安
曲线，可以看出，循环伏安曲线均出现了明显的氧
化还原峰，说明阳极电极上发生了氧化还原反应，
–
可能是由于阳极上的微生物氧化乙酸钠和 NO 3 发生
还原产生的。当丙酮质量浓度为 300 mg/L 时，对应
阳极的峰值电流最大，说明此时阳极表面产电微
生物活性最强，这与之前所述的输出功率密度结
果一致。图 3b 为阴极表面的线性伏安曲线，通过
线性扫描伏安曲线可以看出，当丙酮质量浓度为
300 mg/L 时，阴极表面的电流密度最大，表明了
阴极较快的电化学反应速率，当丙酮质量浓度达
到 700 mg/L 时，对应的阴极电流密度接近 0，进

图 2 不同丙酮质量浓度下 MFC 的功率密度（a）和极化 一步证明高丙酮质量浓度对硝化细菌的抑制性，
曲线（b） 导致阴极中电子受体的浓度过低，进而限制了
Fig. 2 Power density curves (a) and polarization curves (b) MFC 的产电性能。
of MFC under different acetone mass concentrations
2.4 污染物去除性能
在同一电流密度下，丙酮质量浓度为 300 mg/L 测试了不同丙酮质量浓度下 MFC 对氨氮、阳极
对应的 MFC 的电压均高于其他丙酮质量浓度的 COD 及丙酮的去除效果，结果如图 4a 所示。