铜是城市综合污水中四大常见的有害重金属之一，主要来自漂洗、 电镀加工、 矿山冶金等工业废水．在含铜废水的生物处理系统中，一方面，铜是参与微生物代谢过程(如呼吸、 铁吸收和氧胁迫保护)的关键酶辅因子，其功能之一是参与细胞色素c等在呼吸链中以氧为终端电子受体的氧化过程^{[1, 2]}，促进污染物的去除; 另一方面，过量的铜会与酶的活性或非活性中心结合使其失去活性，从而抑制微生物呼吸及废水处理效果．已有研究表明，Cu²⁺浓度与活性污泥的TTC-脱氢酶活性、 比耗氧速率(specific oxygen uptake rate，SOUR)等密切相关，低浓度Cu²⁺对TTC-脱氢酶活性和SOUR 均有一定的促进作用，但当Cu²⁺浓度达到5 mg ·L^-1时，两种酶的活性均下降50%^[3]．因此，Cu²⁺对含铜废水生物处理系统的影响较为复杂．

微生物燃料电池(microbial fuel cell，MFC)是以微生物为催化剂，将污水或污泥有机物中的化学能转化为电能的装置^{[4, 5, 6]}．近年来，研究者在关注如何提高MFC产电性能的同时，也十分重视其在环境治理中的应用研究．Cu²⁺有较高的还原电势(0.286 V)，可代替氧气作为双室MFC阴极电子受体，阳极氧化去除有机物的同时，在阴极室处理含铜废水^{[7, 8, 9, 10, 11]}，可有效降低含铜废水处理系统的运行成本．然而，在以Cu²⁺为阴极电子受体的MFC产电体系中，当阳极与阴极间电势差较低时(如MFC启动阶段)，阴极室中的阳离子(包括Cu²⁺)会透过PEM向阳极室迁移扩散，从而抑制阳极产电微生物活性，延长系统启动时间或影响正常运行^{[8, 11]}．但是，已有研究并未探究Cu²⁺从阴极室向阳极室的迁移扩散对双室MFC内阻分布、 阳极和阴极电化学行为等的影响．

本实验以双室MFC为研究体系，通过分别或同时向阳极室和阴极室添加Cu²⁺，借助铜在体系中的分布解析，分析Cu²⁺对体系内阻及其分布、 电能输出、 库仑效率等的影响，以期为MFC处理含铜废水的相关研究提供有益参考．

1 材料与方法 1.1 实验装置

双室MFC实验装置如图 1所示．MFC反应器为有机玻璃制成，由PEM(Nafion-117，杜邦公司)分隔为阳极室和阴极室，两室有效容积均为28 mL，上端各设两个取样口，运行过程中阳极室取样口密封，阴极室取样口敞开^[10]．阴极和阳极材料均为碳毡(厚度 0.5 cm，北京三业碳素)，电极投影面积为7.1 cm²，电极间距为5.0 cm，阴极和阳极经钛丝与外电路相连，外阻为500 Ω，电极布置如图 1所示．采用数据采集器(RBH8223h型，北京瑞博华)每30 min记录1次电压值．PEM的预处理方法如下^[12]：①80℃条件下，用30％的H₂O₂加热1 h，氧化表面吸附的有机杂质; ②用蒸馏水重复清洗膜，以除去残留的H₂O₂; ③80℃条件下，用5％的稀硫酸浸泡1 h，除去过量的酸及其它杂质; ④用蒸馏水反复冲洗，以除去残留的硫酸; ⑤浸泡于蒸馏水中待用．

图 1

Fig. 1

图 1 双室MFC装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of the dual-chamber MFC

阳极接种物为实验室稳定运行的MFC阳极上清液．阳极液组成为1.0 g ·L^-1葡萄糖，0.3 g ·L^-1NH₄Cl，1.0 g ·L^-1 KCl，5.0 mL ·L^-1微量元素和12.5 mL ·L^-1维生素^[13]，阴极液为1.0 g ·L^-1KCl溶液．室温条件下序批式运行，周期结束后，更换新的阴极液和阳极液．本研究共启动4组双室MFC装置，运行条件分别为：①空白实验MFC-1：阳极和阴极均不添加Cu²⁺; ②MFC-2：阳极添加10 mg ·L^-1 Cu²⁺; ③MFC-3：阴极添加500 mg ·L^-1 Cu²⁺; ④MFC-4：阳极添加10 mg ·L^-1 Cu²⁺，阴极添加500 mg ·L^-1 Cu²⁺．在一个新的双室MFC反应器中(无阳极接种物)，阳极添加10 mg ·L^-1 Cu²⁺，阴极添加500 mg ·L^-1 Cu²⁺，开路静止24 h后，考察空白碳毡电极对Cu²⁺的吸附情况．为防止因浓度梯度导致两室间Cu²⁺的迁移扩散，采用同材质的有机玻璃片替代PEM，将反应器分隔为阳极室和阴极室．

根据欧姆定律有：

库仑效率(CE)的计算方法为^[14]：

采用稳态放电法测定体系的功率密度曲线和极化曲线，具体方法为：待MFC体系运行稳定后，周期内电压达到峰值时，断开外电路放置5 h后进行测定，外阻变化范围为100 Ω~100 kΩ^[15]．实验结束时，以饱和甘汞电极(0.242 V vs. NHE)为参比电极，用万用表测定阴极和阳极电势．交流阻抗谱图(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)采用电化学工作站(CHI600D，上海辰华仪器有限公司)测定，利用三电极体系分别测定阴极和阳极的EIS，被测定的电极为工作电极，另一电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，起始电压为开路电压，扫描频率为0.01~100000 Hz，振幅为0.01 V^[16]．

溶液中Cu²⁺浓度的测定采用火焰原子吸收分光光度法(AA-7000，岛津国际贸易有限公司)．1 mol ·L^-1的硝酸过夜提取阴极和PEM上吸附沉积的铜^[11]，后采用火焰原子吸收分光光度法测定其浓度．阴极室底部沉淀的铜采用滤纸过滤^[17]，加入10 mL浓HNO₃在180℃下消解2 h，后采用同样的方法测定其浓度．进出水COD浓度采用国家标准方法测定^[18]．pH值采用酸度计(DELTA320型，梅特勒托利多仪器上海有限公司)测定．

2 结果与讨论 2.1 体系输出电压

四组双室MFC从启动到体系稳定共运行了10个周期，期间电压变化情况如图 2所示．可见，随运行周期的增加，各体系峰电压值均持续增大，运行到第6个周期时，体系达稳定运行状态，峰电压值基本不再发生变化．MFC-2的稳态峰电压值为77.9 mV，低于MFC-1的峰电压值(90.3 mV)，表明阳极添加10 mg ·L^-1的Cu²⁺对MFC体系产电有一定的抑制作用．MFC-3的稳态峰电压值为242.9 mV，远高于MFC-1，Cu²⁺用作阴极电子受体有利于体系产电．此外，MFC-4的稳态峰电压值为225.4 mV，同样远高于空白，但低于MFC-3体系，进一步说明阳极添加10 mg ·L^-1的Cu²⁺会抑制产电微生物活性，而阴极添加Cu²⁺可促进MFC体系的电能输出．Wang等^[19]的研究表明，阴极添加较高浓度的Cu²⁺可促进体系的输出电压，与本研究结果一致．

图 2

Fig. 2

图 2 Cu2+对双室MFC输出电压的影响Fig. 2 Effect of Cu2+ on the output voltages of dual-chamber MFCs

2.2 内阻大小及其分布

测定MFC体系内阻的方法较多，包括极化曲线斜率法、 功率密度峰值法、 交流阻抗法以及电流中断法^[20]．本研究首先采用极化曲线和功率密度曲线得到体系的总体表观内阻和最大功率密度，然后采用EIS分别考察体系阳极和阴极的内阻分布．

极化曲线一般由三部分组成，即活化极化、 欧姆极化和浓差极化．欧姆极化区电池对外输出功率最大，曲线呈线性关系，拟合欧姆极化区直线斜率即可得到电池的总体表观内阻^[21]．图 3给出了四组双室MFC的极化曲线和功率密度曲线，由此，本研究得到MFC-1、 MFC-2、 MFC-3和MFC-4体系的总体表观内阻分别为2181.7、 2215.9、 556.3 和609.5 Ω，最大功率密度分别为49.5、 37.8、 307.6和271.9 mW ·m^-2．可见，阳极添加10 mg ·L^-1的Cu²⁺会增大电池总体表观内阻，不利于体系的功率密度输出，而在阴极添加500 mg ·L^-1的Cu²⁺则可显著降低电池的总体表观内阻，从而增大功率密度输出．

图 3

Fig. 3

图 3 四组MFC体系的极化曲线和功率密度曲线Fig. 3 Polarization curves and power outputs of four MFCs

图 4给出了四组双室MFC体系阳极EIS的Nyquist图，其主要由高频区、 中频区半圆及低频区半圆等部分组成．其中，高频区的阻抗表示阳极的欧姆内阻，中高频区半圆为阳极反应的极化内阻，而低频区半圆则表示阳极的有限扩散内阻^[22]．采用等效电路R₁(R₂C₂)(R₃C3)对阳极阻抗进行拟合，拟合结果如表 1所示．其中，R₁为阳极欧姆内阻，R₂和C₂元件为底物氧化过程的极化内阻，R₃和C3元件为阳极的有限扩散内阻．由表 1可知，相对于空白体系，阳极添加Cu²⁺(MFC-2和MFC-4体系)会使体系阳极的欧姆和扩散内阻降低，而活化内阻升高，Cu²⁺可增加阳极溶液的离子强度和电导率，同时抑制阳极产电微生物活性．此外，尽管MFC-3阳极液中未添加Cu²⁺，其阳极内阻变化规律却与阳极添加Cu²⁺的MFC-2和MFC-4体系相似，说明当阴极添加较高浓度的Cu²⁺时，由于PEM两侧存在较大的Cu²⁺浓度梯度，可能存在其向阳极室的迁移扩散现象^[11]，同样会影响阳极微生物活性及其内阻分布．

图 4

Fig. 4

图 4 四组MFC体系阳极EIS的Nyquist图谱Fig. 4 Nyquist plots of anodic EIS in four MFCs

表 1(Table 1)

表 1 四组MFC体系的阳极等效电路电阻拟合结果/ΩTable 1 Simulated values of anodic equivalent circuits/Ωs 编号 R1 R2 R3 MFC-1 43.6 10.2 195.2 MFC-2 38.7 12.8 163.8 MFC-3 36.8 20.8 152.2 MFC-4 31.5 21.6 173.5

表 1 四组MFC体系的阳极等效电路电阻拟合结果 /ΩTable 1 Simulated values of anodic equivalent circuits/Ω

图 5给出了四组双室MFC体系阴极EIS的Nyquist图．与阳极阻抗谱图不同，四组MFC体系的阴极阻抗复平面图仅出现了一个中高频区半圆，说明阴极内阻构成主要受限于欧姆损失和活化损失，扩散过程的影响可忽略^[22]．采用等效电路R₁(R₂C2)拟合阴极阻抗，结果如表 2所示．其中，R1为阴极的欧姆内阻，R2和C2元件为阴极反应的极化内阻．由表 2可知，尽管降低幅度不大，无论在阳极还是在阴极添加Cu²⁺均会降低体系的阴极欧姆内阻，阳极添加Cu²⁺降低体系阴极欧姆内阻的原因可能是，阳极微生物受到Cu²⁺抑制导致传递到阴极的电子数量减少．

图 5

Fig. 5

图 5 四组MFC体系阴极EIS的Nyquist图谱Fig. 5 Nyquist plots of cathodic EIS in four MFCs

表 2(Table 2)

表 2 四组MFC体系阴极等效电路电阻拟合结果/ΩTable 2 Simulated values of cathodic equivalent circuits/Ω 编号 R1 R2 MFC-1 158.5 234.8 MFC-2 152.3 289.9 MFC-3 141.3 89.7 MFC-4 144.0 109.6

表 2 四组MFC体系阴极等效电路电阻拟合结果/ΩTable 2 Simulated values of cathodic equivalent circuits/Ω

相对空白体系而言，阴极添加Cu²⁺的MFC-3和MFC-4体系阴极活化内阻大大降低，分别为89.7 Ω和109.6 Ω，而空白体系的阴极活化内阻为234.8 Ω．当阴极添加500 mg ·L^-1的Cu²⁺时，相对于仅有氧气作为电子受体的MFC-1和MFC-2实验体系，阴极终端电子受体的种类和浓度均增加，增大电子受体浓度不仅可从热力学上增加阴极电位，也会在动力学上增大反应速率^[23]，因此，阴极活化内阻显著降低，导致总体表观内阻大大下降，改善功率密度．另外，比对空白和阳极添Cu²⁺实验体系的阴极活化内阻发现，阳极添加Cu²⁺会增大阴极活化内阻，例如，MFC-1和MFC-2的阴极活化内阻分别为234.8 Ω和289.9 Ω，又如，MFC-3和MFC-4的阴极活化内阻分别为89.7 Ω和109.6 Ω．Cu²⁺可降低阳极微生物的活性，影响阳极氧化反应速度及释放电子的数量，进而影响阴极反应速率，导致阴极活化内阻增加．

此外，由于Cu²⁺的水解作用，使得阴极添加Cu²⁺体系的阴极pH偏酸性，pH在酸性范围内可降低阴极的欧姆内阻^[24]，同时阴极H⁺浓度的增加也会加快阴极还原反应的速度，使得活化内阻降低．阴极添加Cu²⁺有利于体系电能输出．

综合比较阳极和阴极的内阻分布发现，体系总体内阻受阴极活化内阻的影响较大，在所构建的双室MFC体系中，电能输出主要受限于阴极活化内阻，阴极添加一定浓度的Cu²⁺可显著降低体系阴极的活化内阻，进而降低体系总体表观内阻，提高电能输出．

4组MFC体系阳极和阴极电势的变化情况如表 3所示． 4组MFC体系的阳极电势分别为-413.6、 -405.5、 -262.9和-246.0 mV，阳极或阴极添加Cu²⁺的阳极电势均高于空白实验，再次说明Cu²⁺对产电微生物有一定的抑制作用．有研究发现^[25]，阳极电位越负，越有利于产电，阳极电势与微生物的量及活性之间呈负相关关系．四组体系的阴极电势分别为-357.6、 -360.5、 46.1和43.9 mV，阴极添加Cu²⁺可大大提高阴极电势，阴极电势的大小与电子受体的种类和浓度有关^[26]．综合分析体系阳极和阴极电势的变化情况，相对于阳极电势，MFC的电能输出主要受限于体系阴极电势的变化，这与体系内阻大小及分布有关．

表 3(Table 3)

表 3 4组MFC体系阳极和阴极电势的变化情况/mVTable 3 Variations in anodic and cathodic potentials of four MFCs/mV 编号 阳极电势 阴极电势 MFC-1 -413.6 -357.6 MFC-2 -405.5 -360.5 MFC-3 -262.9 46.1 MFC-4 -246.0 43.9

表 3 4组MFC体系阳极和阴极电势的变化情况/mV Table 3 Variations in anodic and cathodic potentials of four MFCs/mV

2.4 库仑效率

4组MFC体系库仑效率的变化情况如图 6所示．可以看出，MFC-3体系(阴极添加Cu²⁺)的库仑效率最高，为12.4%，其次是MFC-4(阳极和阴极均添加Cu²⁺)，为12.1%，MFC-1(空白实验组)的库仑效率为3.4%，而MFC-2体系(阳极添加Cu²⁺)的库仑效率仅有2.2%．阴极添加Cu²⁺不仅可通过增加电子受体的种类和浓度，加快阴极电子消耗的速度，提高体系电压和功率密度输出，降低体系内阻，而且可显著改善体系阴极电子受体的利用效率，提高电子回收率及库仑效率，这与Wang等^[19]的研究结论是一致的．再次证明，双室MFC体系的电能输出主要受限于阴极还原反应的速度和程度．

图 6

Fig. 6

图 6 4组MFC体系库仑效率变化情况 Fig. 6 Variations in coulombic efficiencies of four MFCs

2.5 体系铜的分布

阳极接种物为实验室稳定运行的MFC装置出水，基本无阳极污泥，阳极室的Cu²⁺主要存在于上清液或吸附于阳极表面．相对而言，阴极室铜的存在形态较为复杂，由于阴极发生多个还原反应[反应式(1)~(3)]，铜不仅以Cu²⁺的形式存在于上清液或吸附于阴极表面，也会以单质铜或氧化亚铜的形式沉淀于阴极室底部、 PEM和阴极表面．另外，周期结束后，MFC-3和MFC-4阴极室的pH值从初始的5.2分别升高至5.4和 5.6，而Cu²⁺水解沉淀的pH范围为5.2~6.4^[27]，因此，阴极室会有少量Cu(OH)₂沉淀[反应式(4)]．阴极室 Cu²⁺浓度为 500 mg ·L^-1，25℃条件下，Cu(OH)₂沉淀的溶度积为2.2×10^-20，结合上述pH值的变化，周期结束时MFC-3和MFC-4阴极室Cu(OH)₂沉淀分别为10.59 mg ·L^-1和15.74 mg ·L^-1．为解析铜在产电MFC体系中的分布，并判断Cu²⁺是否存在因阳极和阴极电势差而在两室间迁移扩散，从而干预阳极或阴极反应，表 4给出了运行前后铜在体系中的分布情况．

表 4(Table 4)

表 4 四组MFC体系中铜的分布/mg ·L-1Table 4 Distribution of Cu in four MFCs/mg ·L-1 编号 MFC-1 MFC-2 MFC-3 MFC-4 开始时阳极上清液 0.60 10.32 0.60 10.32 结束时阳极上清液 0.42 9.84 14.02 20.36 开始时阴极上清液 0.00 0.00 500.00 500.00 结束时阴极上清液 0.00 0.00 3.96 4.87 结束时阴极室沉淀物 — — 10.30 14.22 结束时PEM表面沉淀物 — — 15.00 26.66 结束时阴极表面沉淀及吸附物 — — 434.74 404.55 结束时沉淀物合计 — — 460.04 445.43

表 4 四组MFC体系中铜的分布/mg ·L-1Table 4 Distribution of Cu in four MFCs/mg ·L-1

可见，当阳极添加Cu²⁺(MFC-2)时，运行前后阳极上清液中的Cu²⁺浓度略有降低，从运行开始时的10.32 mg ·L^-1降低到9.84 mg ·L^-1，但在阴极上清液中却基本未检测到Cu²⁺．空白电极吸附实验表明，当Cu²⁺浓度为10 mg ·L^-1时，阳极Cu²⁺吸附量为0.52 mg ·L^-1，阳极室Cu²⁺的减少主要是由于阳极碳毡的吸附作用造成的．当阴极添加Cu²⁺时，MFC-3和MFC-4中沉淀和吸附的铜(阴极室沉淀物、 PEM表面沉淀物、 阴极表面沉淀及吸附物之和)分别为460.04 mg ·L^-1和445.43 mg ·L^-1，占总量的92.0%和89.1%，其中，阴极表面沉积和吸附的铜量最高，MFC-3和MFC-4体系分别为434.74 mg ·L^-1和404.55 mg ·L^-1．阴极空白吸附实验结果表明，阴极碳毡的Cu²⁺吸附量为22.44 mg ·L^-1，占阴极表面铜量的5.2%(MFC-3)和5.5%(MFC-4)，可见，阴极表面的铜主要来自还原沉淀．

周期结束时，MFC-3和MFC-4阳极上清液中Cu²⁺浓度分别为14.02 mg ·L^-1和20.36 mg ·L^-1，均高于实验开始时的0.60 mg ·L^-1和10.32 mg ·L^-1，由于浓度梯度，阴极室的Cu²⁺会透过PEM向阳极室迁移扩散(2.8%)，从而抑制阳极产电微生物活性和体系电能输出．同时，MFC-4阳极上清液中的Cu²⁺浓度高于MFC-3体系，对阳极微生物的抑制作用相对明显，阳极有机物氧化产生及传递到阴极的电子数量均减少，阴极还原沉积的铜也降低．周期结束时，仅有少量Cu²⁺残留在阴极上清液中，其浓度分别为3.96 mg ·L^-1 和4.87 mg ·L^-1．

3 结论

(1)阳极添加10 mg ·L^-1的Cu²⁺会抑制产电微生物活性，增大体系阳极反应的活化内阻及总体表观内阻，降低体系的电能输出和库仑效率．与质子不同，阳极Cu²⁺未向阴极室迁移扩散．

(2)阴极添加500 mg ·L^-1的Cu²⁺可显著降低阴极反应的活化内阻及总体表观内阻，提高体系的产电性能．大部分阴极Cu²⁺被还原沉淀，由于两室间存在较高的浓度梯度，阴极上清液中的部分Cu²⁺迁移扩散至阳极室(2.8%)，影响产电微生物活性．

(3)当阳极不添加Cu²⁺、 阴极添加500 mg ·L^-1 Cu²⁺时，体系峰电压、 输出功率密度、 表观内阻和库仑效率分别为242.9 mV、 307.6 mW ·m^-2、 556.3 Ω和12.4%，产电效果最好．