【摘 要】
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偶氮染料废水因成分复杂,生物毒性强、难降解、致癌等问题,成为污水治理领域的难点和热点。由于绿色,低能耗等优势,生物技术被认为是目前最有前景的治理手段。微生物燃料电池（MFCs）可以把降解污染物的化学能转换为电能而引发了大量关注,但其较低的输出功率影响了它的实际应用。本研究以氧化石墨烯（GO）为原料,通过水热自组装法调控不同的反应条件合成了6种三维石墨烯水凝胶（GHs）,并对GHs的物、化性质变化规
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偶氮染料废水因成分复杂,生物毒性强、难降解、致癌等问题,成为污水治理领域的难点和热点。由于绿色,低能耗等优势,生物技术被认为是目前最有前景的治理手段。微生物燃料电池（MFCs）可以把降解污染物的化学能转换为电能而引发了大量关注,但其较低的输出功率影响了它的实际应用。本研究以氧化石墨烯（GO）为原料,通过水热自组装法调控不同的反应条件合成了6种三维石墨烯水凝胶（GHs）,并对GHs的物、化性质变化规律进行研究和分析,探讨了不同材料对Shewanella decolorationis S12强化不同亲疏水性偶氮染料降效率。结果表明,GHs促进了S12生物量的增长同时还提升了对偶氮染料的降解效率。GHs比表面积越大,吸附污染物越多,不仅能够降低污染物对S12的毒性,而且使微生物能直接接触GHs,加快微生物偶氮呼吸,从而提高微生物降解污染物的效率。阳极作为电活性微生物的主要介质,可以接收和传递胞外电子,对系统性能起着决定性作用。将制备得到的5种GHs作为MFCs阳极开展研究,结果发现,这5种GHs的电导率和生物相容性呈现出相反的趋势。制备温度升高,GHs材料的亲水性随着其表面的-COOH/-OH等含氧官能团减少而降低,从而导致材料与界面微生物相互作用的能力降低,GHs的生物相容性降低。在180℃,12 h条件下制备的材料（GH-4）在MFCs系统中最大功率密度可达到137.67 W/m~3,是GH-2（12.58 W/m~3）的10.9倍。在制备温度达到220℃时,生物相容性则显著降低,导致功率密度降低。为了进一步提高材料的细菌负载能力和微生物活性,我们设计并合成了一种复合材料COF/GH,使用共价有机框架（COF）和GO插层组合。COF纳米片包含许多中孔,可防止GO纳米片堆叠,从而实现微生物的固定和高效的电解质传输。与GH相比,混合COF/GH水凝胶的分级多孔结构有利于更多微生物的负载。COF/GH阳极所构建的MFCs功率密度可达到201.2 W/m~3,是GH阳极的1.3倍。本研究通过调节材料的物理化学性质,揭示了GHs材料与微生物之间的相互作用机制,GHs具有很强的可扩展性和潜在的实用前景,同时也为生物应用材料特性的设计和控制提供了新的思路。
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