微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)是一种集污水处理及产能于一体的废水资源型技术，具有反应条件温和、能量高效利用、生物修复和水体污染同步治理等优点.至今已用于多种有机废水处理的研究，如苯酚、酿酒废水、制药废水等.其本质是利用阳极微生物细胞中酶的代谢作用氧化有机物产生电子，电子通过中介体传递至阳极，故阳极是微生物附着、生长、降解底物和电子传递的直接场所，同时阳极材质决定着阳极电位，最终决定微生物的代谢途径，影响MFC的输出功率.因此，阳极是影响MFC性能的一个重要指标.
电气石是一种复杂的自发电极性硼硅酸盐矿物，可以产生电场和远红外线，使水的活性提高，水分子结构发生改变，进而提高阳极的生物亲和性，加强生物代谢能力.此外，电气石表面带正电荷的离子有利于吸附带负电荷的微生物，从而加快MFC启动.当电气石含量为0.10 g时，MFC系统性能最佳.
由于MFC产电菌群主体为异化金属还原菌，与过渡态金属亲和性较强，因此研究者使用过渡态金属/金属氧化物作为电极修饰物，二氧化锰(manganese bioxide，MnO2)以其高理论比容在过渡金属氧化物中脱颖而出，成为研究热点. Gong等研究发现MnO2的加入使得微生物多样性是不加MnO2的两倍.但MnO2电导率较低，不利于其电容性能的发挥. Yuan等利用水合法制备多壁MnO2/聚吡咯/纳米MnO2材料(NT-MPM)，并用于修饰MFC阴极.但目前使用的MnO2掺杂的复合物均存在制备方法复杂、原料价格较昂贵等问题.而埃洛石纳米管(halloysite nanotube，HNT)是一种天然的黏土矿物，其多孔结构能使MnO2均匀分散在表面，提高比表面积，利于细菌吸附.因此以HNT作为MnO2的基体，提高MFC性能.同时经研究发现，质量分数75% MnO2/HNT具有最高的电化学性能，获得最大功率密度为767.37 mW ·m-2.
Xie等利用碳纳米管(carbon nanotube, CNT)修饰聚氨酯海绵阳极，该MFC处理生物污水所获得的功率密度(182 mW ·m-2)是其他同类的2.5倍. Peng等发现CNT有利于Shewanella oneidensis与电极间的细胞传递.但Wu等与Flahaut等指出纯碳纳米管有细胞毒性，可能导致细胞死亡和增殖抑制.研究者因此认定纯碳纳米管不适合用于MFC阳极，但可以通过改性来减少其细胞毒性.多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube，MWCNT)具有较大的比表面积、良好的导电性能、较好的化学稳定性、良好的电学性能、高催化活性以及易于和多种基团反应等优点.而羧基亲水基团的引入，可以增加阳极表面的粗糙程度，有利于微生物的吸附和电子传递.
精对苯二甲酸(pure terephthalic acid, PTA)是一种常见的含有高化学能的有机污染物，为了研究不同改性阳极对MFC的实际应用性的影响，本文以PTA废水作为MFC底物，选取0.10 g的电气石、75% m(MnO2)/m(HNT)和MWCNT-COOH作为阳极修饰物，通过功率密度、库仑效率、塔菲尔曲线等参数考察不同修饰物对微生物燃料电池性能的影响，通过底物去除率及化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)去除率评价3种修饰物对PTA废水的降解效果，以期为微生物燃料电池应用于处理高浓度难降解有机废水提供科学依据.
1 材料与方法1.1 实验材料
本研究中所使用的主要仪器见表 1，主要试剂见表 2.
表 1 主要实验仪器
表 2 主要实验试剂
1.2 阳极制备
实验中阳极的基材均为碳布，阳极修饰物(电气石、MnO2/HNT和MWCNT-COOH)通过碳刷涂布于碳布表面，涂覆面积为阳极有效面积28.26 cm2.为了去除碳布表面的杂质，碳布在使用前先用清水冲洗，然后分别用0.8 mol ·L-1的HCl和NaOH溶液浸泡2 h，最后用去离子水浸泡5 h，烘干备用.
1.2.1 电气石
将0.1 g的8000目电气石与2 mL去离子水混合均匀，置于超声波清洗器中100 Hz条件下超声分散15 min，然后均匀涂布在碳布上.改性碳布使用前在室温下干燥24 h.
1.2.2 MnO2/HNT复合材料
MnO2/HNT复合纳米材料是通过对Devaraj等和Boonfueng等方法进行改良.制备MnO2/HNT复合材料前，将一定量的HNT置于80℃下烘2 h，以便去除其吸附的水蒸气.首先，将1.52 g KMnO4加入到0.26 g ·L-1HNT溶液中，并在室温下搅拌.之后将0.93 g MnSO4 ·H2O溶于去离子水中，逐滴加入到混合溶液中，并搅拌4 h.反应完成后，用去离子水洗涤至无SO42-，且溶液pH约为7左右.在80℃下干燥，粉碎得到75% m(MnO2)/m(HNT). MnO2晶型形成的反应式如下所示：
将0.22 g的改性材料与4.3 mL的去离子水混合制备成糊状物，超声半小时后将糊状物均匀涂布于碳布表面，以形成一层均匀的膜.
1.2.3 MWCNT-COOH
将多壁碳纳米管粉末置于1 :3的HNO3 :H2SO4混合液中，50℃条件下超声分散24 h，超声完毕之后用大量清水洗涤，使pH为中性，烘干研磨后备用.取制好的MWCNT-COOH 0.10 g与4 mL无水乙醇、1 mL 1% Nafion溶液制备成糊状物，在100 Hz下超声0.5 h以便粉末均匀分散于溶液中.然后，将糊状物均匀涂布于碳布表面.为了保证涂覆的均匀性，每涂一次放烘箱中烘干一次，然后换成垂直于前一次所涂方向再涂，直到修饰物涂完为止.
1.3 MFC的构建及启动
本实验构建了4个方型单室空气阴极MFC反应器，其间距为3 cm，体积为90 mL.阴极为涂有Pt催化剂的碳布阴极，阳极分别为0.10 g电气石、75% m(MnO2)/m(HNT)和MWCNT-COOH修饰的碳布阳极，对照阳极为未修饰的碳布.阴、阳两极通过外部电路及负载电阻(1 000 Ω)连接，数据采集器用于采集负载电阻两端产生的电压，记录频率为1次·min-1.
反应器构建好后，将含有菌株的厌氧污泥(取自南京某化工厂)和葡萄糖培养液按体积比1 :1加入MFC反应器内进行阳极微生物挂膜.其中，葡萄糖培养液组成：葡萄糖1 g ·L-1，NH4Cl 0.31 g ·L-1，KCl 0.13 g ·L-1，Na2HPO4 ·12H2O 11.88 g ·L-1，NaH2PO4 ·2H2O 2.55 g ·L-1，MgSO4 ·7H2O 0.19 g ·L-1，微量元素10 mL(微量元素成分：每升水中含CaCl2 1.25 g，CuCl2 ·2H2O 0.195 g，NiCl2 ·6H2O 0.329 g，ZnCl2 0.25 g，H3BO3 0.25 g，EDTA 1.25 g，CoCl2 ·6H2O 0.25 g，FeSO4 ·7H2O 1.25 g，MnSO4 ·H2O 1.25 g，Al2(SO4)3 ·18H2O 1.5 g，(NH4)6Mo7O24 ·4H2O 0.25 g).当输出电压稳定时，完成驯化挂膜.将1 000 mg ·L-1 COD的PTA溶液(溶液成分：PTA 0.697 g，NH4Cl 0.071 g，K2HPO4 ·3H2O 0.19 g，MgSO4 ·7H2O 0.2 g，酵母膏0.21 g，微量元素10 mL)分别添加进4个MFC反应器中，待MFC产电稳定后，记录相关数据.当输出电压低于100 mV时，完成一个反应周期，更换新底物，且MFC运行温度控制在(33±0.1)℃.
1.4 分析方法1.4.1 阳极电极表征
扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)一般用于观察样品的表面形态结构，在用扫描电镜观察前，先将电气石、MWCNT-COOH、75% m(MnO2)/m(HNT)这3种阳极修饰材料粘在导电胶上，喷金之后进行扫描电镜观察.
1.4.2 底物分析
PTA的检测根据文献，即配置一定浓度的PTA标准液，然后于50 mL比色管中分别加入0.00、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00和10.00 mL PTA标准液，并用一定浓度的NaOH溶液调节pH范围为7~9，以蒸馏水作为参比，用1 cm比色皿在240 nm波长下测定吸光度，并绘制标准曲线.
1.4.3 MFC性能分析
(1) 塔菲尔曲线
塔菲尔曲线广泛用于MFC电极动力学活性及电极耐腐蚀性能的表征. Tafel测试采用半电池测试，以阳极作为工作电极，Pt电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，扫描范围为-0.7~0.3 V，扫描速度为1 mV ·s-1.
(2) 功率密度
功率密度为单位电极体积所输出的功率.
(3) 库仑效率(Coulombic efficiency, CE)
CE指回收的电能和有机物理论上可以提供的化学能之比.
(4) 阳极电位
阳极电位的大小可以直接反映阳极微生物活性，可通过三电极体系测量，其中以阳极作为工作电极、Ag/AgCl作参比电极，铂电极作为对电极，通过万用表来检测阳极电极与参比电极之间的电势差，该电势差则为阳极电位.
2 结果与讨论2.1 扫描电镜分析
电气石是一类具有自发电极性的矿物，在这种特性作用下，一个粒径为微米级的电气石颗粒为具有正负极的电偶极体，自身能形成电流和静电场. 图 1(a)为电气石SEM图.从图中可以看出，电气石颗粒分布均匀，较大的颗粒间分散性良好，而小颗粒之间存在明显的团聚现象，说明电气石颗粒间存在斥力和引力.矿质电气石经粉碎成粉末过程中，粒度变小，比表面积变大，电气石粉末表面存在大量不饱和键(不饱和氧原子、XYZ位离子和羟基)和断键.当电气石粉碎后，周边存在大量电偶极体，电气石的电极特性增强，使得小颗粒电气石间相互吸引.
(a)电气石;(b)MWCNT-COOH;(c)75% m(MnO2)/m(HNT)
图 1 不同阳极修饰材料的扫描电镜图
图 1(b)为MWCNT-COOH的SEM图.经过酸处理后的MWCNT管与管之间相对蓬松，形成层状结构，团聚现象减弱，长度变短，且在端部出现了大量官能团，平均孔径为15.605 nm. MWCNT是由多个六方点阵碳原子圆柱面构成的空心小管，端部为五边形和七边形排列的碳原子.端部的碳原子处于亚稳定状态，能量高，易被氧化.用混酸处理时，端头首先被切掉，然后酸液能够渗透到MWCNT的层壁间，将外壁和内壁的壁层氧化掉.随着管壁不断氧化剥离，最终在碳管的薄弱处发生断裂.
图 1(c)为75% m(MnO2)/m(HNT)扫描电镜图.从中可以看出，MnO2/HNT复合材料呈蓬松状，提高了MnO2分散性，减少团聚.复合材料制备时，HNT带负电荷的二氧化硅外表面将吸附形成的、带正电荷的二氧化锰晶体，导致MnO2在HNT表面原位生长、聚集.因此MnO2/HNT复合材料提高了MnO2颗粒的连接性和导电性能.
2.2 阳极开路电位测试
开路电位是电池处于开路状态时阳极电位和阴极电位的差值.开路电压主要受阳极电位影响，由于电极材料或者修饰物的不同，阳极占主导地位的产电菌可能有所差异，因此其开路电位也会存在差别.从图 2(a)中可以看出，当以葡萄糖作为底物时，75% m(MnO2)/m(HNT)和MWCNT-COOH修饰的碳布阳极的稳定开路电位相差不大，约为794 mV左右，而电气石修饰的阳极和纯碳布的稳定开路电位均在740 mV左右.在本实验中，阴极均为Pt/C化学催化剂，因此阴极电位是固定的.开路电位主要受阳极电位影响.因此，对于阳极电位，有以下关系：75% m(MnO2)/m(HNT)≈MWCNT-COOH < 纯碳布 < 电气石(见表 3)，这可能是由于电气石本身为硅酸盐矿物质，修饰过后的阳极表面亲水性较差，溶液难以浸润，使得修饰后电极导电性较差，而75% m(MnO2)/m(HNT)和MWCNT-COOH的导电性较好，电子能较快地在微生物和阳极间传递，使得其阳极电位较低，从而利于微生物发生氧化还原反应.从图 2(b)可知，以PTA作为底物时，阳极电位排序并没有发生改变，但总体相对于以葡萄糖为底物时的阳极电位有所下降.由于开路电位是热力学指标，其大小受微生物种群及阴极限制.因此可知，当改变底物时，微生物种群可能发生变化.当以葡萄糖做为底物时，微生物种群主要以毛球菌属与丙酸杆菌属为主;而以PTA为底物时，微生物种群发生了极大的改变，其主要以变形菌门为主.
non是指由未做任何修饰碳布而做成的MFC
图 2 MFC开路电位
2.3 功率密度
图 3、图 4显示了不同阳极修饰条件下的MFC产电运行结果，其分别是功率密度对电流和电压对电流的极化曲线.从中可以看出，MWCNT-COOH修饰的MFC、75% m(MnO2)/m(HNT-MFC)、电气石修饰的MFC和未修饰MFC最大功率密度分别为252.73、173.64、98.23和103.18 mW ·m-2.电气石修饰阳极产生的功率密度低于未修饰MFC，这是由于电气石的加入，增加了电极内阻，降低了电子迁移速率.但MnO2/HNT和MWCNT-COOH修饰阳极显著提高了MFC最大功率密度，相对于未修饰阳极MFC，其功率密度分别提高了68.2%和144.9%.
图 3 不同阳极的功率密度-电流曲线图
non是指由未做任何修饰碳布而做成的MFC
图 4 不同阳极电压-电流曲线图
根据电力学理论基本原理，最大功率密度可以简化如下：
式中，VOC2为电池的开路电位，Rin为电池的内阻(电池内阻为图 4电压-电流曲线拟合而成的直线斜率)，A为有效阳极面积.因此可知，提高Pmax可通过提高开路电位或者降低内阻来实现.由2.2节和图 3、4可知，MnO2/HNT和MWCNT-COOH修饰阳极有利于提高开路电位和降低内阻，因此其有利于MFC功率密度的提高.
此外，撇除结构等的限制，仅仅从产电菌生长代谢的角度来衡量MFC的产电能力，则功率密度可表示为：
式中，μ为产电菌的生长速率，Y为产电菌的产率系数，be为每摩尔底物完全氧化成CO2失去的电子摩尔数，X表示菌体密度，F为法拉第常数，U为开路电压.由公式可知，Pmax与U和微生物成正比，但由2.2节可知，MnO2/HNT和MWCNT-COOH修饰阳极虽然提高了U，但是提升幅度较小(表 3)，因此可知，修饰电极提高了阳极微生物附着量.其中MWCNT-COOH产生功率密度高于MnO2/HNT产生的功率密度，这是由于MWCNT-COOH中羧基亲水团的加入大大增强了阳极表面的润湿性，更加有利于微生物的吸附.
表 3 不同阳极性能比较
2.4 底物去除率和库仑效率
本实验中所用PTA废水来自于南京某化工厂，原水COD一般在1 200~1 500 mg ·L-1，PTA浓度一般为530~560 mg ·L-1.表 3为不同阳极性能比较.从中可知，所有MFC对PTA的去除率均在70%以上，COD去除率均在79%以上，说明MFC对PTA废水有较好的效果. PTA废水中在厌氧条件下，PTA会以加氢反应生成烷基苯，然后以烷基烃的形式降解或者脱去羧基以含氧酸的形式降解，如图 2~4所示.此外，从表 3可以看出，COD的去除率高于PTA的去除率，这是因为PTA性质较稳定，微生物首先会降解废水中易降解物质从而导致COD去除率高.
本研究中以PTA为底物的CE仅在8.2%~11.7%之间，表明有很大一部分的电子并未转化成电能.在本实验中，库仑效率的影响因素主要为氧气扩散和微生物群落组成的变化.实验过程中，由于修饰阳极的不同，会导致微生物群落发生不同改变，进而影响微生物产电能力的强弱;氧气扩散则是由于阴极室的氧气扩散到阳极室，使得产电菌和非产电菌发生竞争作用，部分有机物以发酵形式被消耗.
2.5 塔菲尔曲线
图 5为自制MWCNT-COOH、电气石、75% m(MnO2)/m(HNT)修饰的阳极与未修饰阳极塔菲尔曲线，以此比较不同修饰物对阳极的电化学性能影响.当电极发生电化学极化时，过电位η与lgi存在如下关系：
由于交换电流密度在低过电位区域内(η为50~140 mV)主要受电化学极化限制，浓差极化的影响非常小，因此一般是通过将其线性部分反向延长至过电位为零处所得.由图 5得到MWCNT-COOH、75% m(MnO2)/m(HNT)、电气石修饰的阳极和未修饰阳极的交换电流密度为1.7、0.16、0.005 6、0.002 6 mA ·cm-2.经过MWCNT-COOH和75% m(MnO2)/m(HNT)修饰的阳极交换电流密度分别增加了653倍和60.5倍，电气石修饰的阳极和未修饰阳极的交换电流密度相差不大.交换电流密度值的高低体现了电极表面生化反应的快慢.通常交换电流密度越大，电极反应越快.未修饰的碳布交换电流密度较低，意味着阳极微生物反应所需的活性能较高，反应困难，且活化损失严重. MWCNT-COOH、75% m(MnO2)/m(HNT)可能增加了化学反应位点或增加电化学反应的选择性从而降低了化学反应的活化能增加了电极的交换电流密度.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
图 5 不同阳极的Tafel曲线
3 结论
(1) MFC能够同步处理PTA废水并进行产能.所有MFC对PTA的去除率均在70%以上，且除了电气石改性阳极，MWCNT-COOH和75% m(MnO2)/m(HNT)修饰阳极都提高了MFC的功率密度，分别为252.73 mW ·m-2和173.64 mW ·m-2.
(2) 通过开路电压的测定，PTA影响了阳极微生物种群的变化.通过最大功率密度计算可知，修饰电极提高了阳极微生物附着量.
(3) MWCNT-COOH、75% m(MnO2)/m(HNT)修饰阳极提高了微生物反应速率，所获得的阳极交换电流密度分别为1.7 mA ·cm-2、0.16 mA ·cm-2，远高于未修饰阳极(0.002 6 mA ·cm-2).
