硝基酚类物质生物电化学还原规律研究(6)
生物电化学的方法，可以分为微生物燃料电池和微生物电解池[22-23]。其阳极都富集了大量的活性微生物，这些微生物通过氧化吸收阳极的乙酸盐等营养物质后，产生的电子通过外电路到达阴极。在微生物燃料电池中，这些电子用于还原物质，在微生物电解池中，这些电子用于氢气的生成。阴极的化学反应都可以通过化学催化剂或者微生物催化剂得以发生。
该生物电化学法的基本原理是：在阳极室中，微生物利用了乙酸盐等营养物质进行自身代谢，产生了质子和电子。其中，质子通过阴阳极室的质子交换膜被运送到阴极，电子则通过外电路被送到阴极。在阴极中，进水溶液是未经处理的一定浓度的废水溶液，和阳极产生的电子、质子参加化学反应，从而达到降解掉阴极污染物质的目的。
相比传统电化学方法和微生物厌氧处理法，生物电化学法具有以下优点：
第一，生物电化学法和传统电化学法相比，可以节约一定的电能。A J Wang等[24]应用拥有微生物阳极和化学阴极的生物电化学系统法，处理硝基苯废水。该生物电化学的方法完成了硝基苯到苯胺的转化，其能源消耗量是0.05Kwhm-3d-1，比纯电化学的消耗量低约10倍。
第二，生物电化学法和微生物厌氧处理法相比，由于其把有机物作为电子供体，从而减少了对能源的需求，以及还原剂的消耗。同时，传统的厌氧微生物处理法是把降解微生物和降解有机物放在一起进行该降解过程，而较高的有机毒物浓度可能会对微生物产生抑制作用，从而影响有机毒物的降解过程。另外，生物电化学的方法是把阳极和阴极相间隔开，从而可以更加清晰地研究阳极室和阴极室各自的化学反应。
生物电化学系统法通过还原的原理来去除或转化各种污染物质，可以处理包括硝酸盐、高氯酸盐、Cr6+、偶氮等物质。Yang Mu等[25]曾用拥有微生物阳极和化学阴极的生物电化学法处理偶氮纺织废水。在没有外加电能，只有微生物作用时，偶氮的降解速率是2.64mol m-3 NCC d -1,当加入电能时，偶氮的降解速率可以达到13.18mol m-3 NCC d -1。可见，外加电能的加入可以大大增加该生物电化学反应器内的化学反应速率。
在生物电化学系统法的实验环境中，因为已知一些细菌可以把硝基化合物完全转化为相应的芳香族化合物，于是可以用生物电化学法来处理硝基酚类物质。该方法的处理能力通过硝基酚的去除效率、氨基酚的生成效率及阳极和阴极的库伦电子转移效率来表征。
1.5 本课题研究的内容和意义
1.5.1 研究意义
硝基酚是一种广泛应用于化学合成工业，尤其是杀虫剂、除草剂和染料制造过程中的有机原材料。硝基酚的毒性较大，被美国环保局确认为优先处理污染物[6]。由于硝基是间位定位基，具有吸电子性能，使苯环电子云密度降低得很多,以致芳环也比较不活泼，难于发生亲电取代反应[5]。正是由于硝基芳香化合物的这些化学性质，所以硝基芳香化合物难于被进一步降解。前已论述，经济和反应设备等原因使得物理法和化学法难以达到要求，生物法中的好氧处理法也难以取得好的去除效果。在厌氧处理法的基础上，加入电能可以大大加快反应速率，提高降解效率。故提出了使用生物电化学法处理硝基酚废水。
相比传统电化学方法和微生物厌氧处理法，生物电化学法具有以下优点：节省电能、减少了对能源的需求、减少了还原剂的消耗、防止了较高有机毒物浓度可能对微生物产生的抑制作用、有助于单独分析阳极室和阴极室各自的化学反应过程。
目前，大量学者已使用生物电化学的方法处理难降解物质。更多的研究集中于废水脱氮、废水脱硫、垃圾渗滤液[26]、硝基苯[27]和偶氮染料[25]。一般的生物电化学反应，都是在阳极发生化学反应，而应用在阴极发生化学反应的生物电化学的研究较为匮乏。
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