Page 223 - 《精细化工》2023年第12期
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第 12 期                李思煜，等:  纳米 Fe 3 O 4 对沼液 MFC 产电特性与有机物降解的影响                         ·2765·


            持 10 h，制得 Fe 3 O 4 @碳毡电极。                          料液与碳毡的微生物群落分布，空白对照组阳极碳
            1.4  Fe 3 O 4 @生物炭的制备                              毡记为 MS1，Fe 3 O 4 @碳毡作阳极记为 MS2，投加
                 不同热解温度的生物炭表面官能团存在明显差                          Fe 3 O 4 @生物炭的阳极室碳毡记为 MS3。测序之前对
            异，理化性质       [19] 与热稳定性也有较大差别，550  ℃               样品进行预处理：先采用离心法将反应后 MFC 出料
            热解温度下得到的生物炭            [20] 抗氧化性与热稳定性较             液样品中单位体积内的少量细菌富集，取 4 mL 已富
            高，并且通过电化学分析发现，550  ℃时生物炭电                          集细菌的反应后 MFC 出料液作为样品，分 2 次加入
            子传递能力      [21] 达到最大值。所以，为了使 Fe 3 O 4 @            灭菌的 2 mL 离心管中，10000 r/min 室温离心 3 min，
            生物炭介入下的 MFC 产电及有机物降解效果最好，                          用移液枪吸出上层液体并弃置，倒置 2 mL 管于吸水
            选择在 550  ℃条件下制备生物炭。将粉碎后的玉米                         纸上 1 min，直至没有液体流出，得到 MFC 反应后
            秸秆 105  ℃烘 12 h 后过 80 目筛，然后放置于立式                   出料液的 DNA 待测样品；反应后固体碳毡样品已经
            反应炉中，温度设置为 550  ℃，N 2 气氛条件下保持                      对细菌有了很好的富集，为了使碳毡表面及内部的
            2 h，温度降至 60  ℃以下后取出样品，得到黑色生                        菌群能更好地与 TritonX-100 裂解液接触，使更多的
            物炭。将生物炭加入 1.3 节所述超声后深咖色溶液
                                                               细胞壁破裂释放 DNA，取适量反应后固体碳毡样
            中，搅拌均匀，然后转移到高压消解罐中，200  ℃
                                                               品，经液氮冷冻 15~30 min 后，在组织破碎仪中进
            保持 8 h。冷却取出后处理方式同 1.3 节，得到
                                                               行破碎，液氮冷冻后难以破碎的碳毡使用无菌剪刀
            Fe 3 O 4 @生物炭，其在 MFC 实验中添加量为 1 g/L。                将其剪碎后加入 TritonX-100 裂解液，再进行常温破
            1.5   分析方法
                                                               碎。利用 Omega 试剂盒提取 DNA，进行样本质检
            1.5.1   Fe 3O 4@碳毡与 Fe 3O 4@生物炭的理化特性分析
                                                               检测 DNA 的完整性，然后进行 PCR 扩增与 DNA
                 对纳米 Fe 3 O 4 负载前后的碳毡及生物炭进行
            SEM 表征，分析观察样品形貌变化，同时通过 EDS                         纯化，将得到的样品利用 Illumina MiSeq 平台测序
                                                               并与数据库进行匹配分析。
            测试观察样品表面 Fe 元素分布情况。利用振动样品
            磁强计对 Fe 3 O 4 @生物炭做磁性能检测。通过磁分离                     2   结果与讨论
            技术收集 MFC 反应后的 Fe 3 O 4 @生物炭并称重，与
            投加量作差比较，探究 Fe 3 O 4 @生物炭的可回收性。                     2.1  Fe 3O 4@碳毡与 Fe 3O 4@生物炭的理化特性分析
            对生物炭与 Fe 3 O 4 @生物炭作 BET 表征，测定并分                       未处理碳毡、生物炭、Fe 3 O 4 @生物炭和反应前
            析二者的比表面积、总孔体积及粒径分布。                                后 Fe 3 O 4 @ 碳毡 的 SEM 图以 及 Fe 3 O 4 @ 碳毡和
            1.5.2   产电特性分析                                     Fe 3 O 4 @生物炭的 EDS 图见图 1。对图 1 中 SEM 及
                 本研究主要对 MFC 功率密度曲线、极化曲线、                       EDS 图分析发现，未经处理的碳毡（图 1a）由碳纤
            内阻及库仑效率进行分析。组建好的 MFC 放入电热                          维缠绕组成，表面光滑，涂覆纳米 Fe 3 O 4 后的碳毡
            恒温培养箱后，由多通道数据采集卡每隔 2 min 对                         的碳纤维被球状纳米 Fe 3 O 4 包裹（图 1b），其中丝状
            其电压信号进行采集          [15] 。当电压信号升高至稳定时，              物质即为起到黏连作用的聚四氟乙烯。通过 EDS 图
            通过外接负载电阻（从 10000 Ω 调至 10 Ω）             [22] ，获    也清晰看出 Fe 元素在碳纤维上广泛分布（图 1g），
            得极化曲线和功率密度曲线，即通过欧姆定律计算
                                                               即成功制得 Fe 3 O 4 @碳毡。由秸秆制备的生物炭结构
            得到对应的一系列电流密度及功率密度，对电流密
                                                               清晰（图 1c），外部多为层状、片状结构，内部多
            度和电压作图得到极化曲线，斜率视为 MFC 反应器
                                                               孔状结构有序排列，经纳米 Fe 3 O 4 负载后（图 1d），
            的内阻，对电流密度和功率密度作图得到功率密度
            曲线，最高点即为系统的最大功率密度。按文献                       [15]   生物炭表面和内部均出现颗粒大小均匀的球状物
            方法通过库仑效率考察阳极电子回收效率。                                质，在图 1h~j Fe 3 O 4 @生物炭的 EDS 图中也可以清
                                                               晰看出，Fe 元素大面积聚集在生物炭上，成功制得
            1.5.3   有机物降解分析
                 COD 是反映水样中还原性物质多少的参数，用                        Fe 3 O 4 @生物炭。对 3 个循环周期后 Fe 3 O 4 @碳毡的
            来判断水样污染程度。本研究利用多参数水质测定                             涂覆状态进行分析，图 1e~f 分别为反应后 Fe 3 O 4 @
            仪，采用重铬酸钾法          [15] 测定反应前后沼液的 COD              碳毡不同位置的 SEM 图，在图 1e~f 中清晰看出 3
            含量，利用全自动凯氏定氮仪测定反应前后沼液中                             个循环实验后利用聚四氟乙烯涂覆的 Fe 3 O 4 @碳毡
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            NH 4 -N、NO 3 -N 与 NO 2 -N 含量，进而分析 MFC 对            出现了脱落现象，而且部分出现了严重脱落，后续
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            沼液中 COD 和 NH 4 -N 的降解情况及沼液中 NH 4 -N                实验将会对纳米 Fe 3 O 4 负载碳毡的方式进一步展开
            的转化情况。                                             研究。
            1.5.4   微生物群落分析                                        磁化曲线可反映磁性物质的主要磁特性，
                 利用 Illumina Miseq 测序技术     [23] 分析反应后出        Fe 3 O 4 @生物炭的磁化曲线如图 2 所示。由图 2 可知，
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