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天然磁黄铁矿修饰微生物染料电池阴极用于含铬(Ⅵ)废水处理：性能、机理与前景

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化进程的加速，含铬(Ⅵ)废水的排放问题日益严峻。含铬(Ⅵ)废水主要来源于电镀、皮革、纺织、冶金等工业过程，这些行业在生产活动中会产生大量含铬废水，如果未经有效处理直接排放，将会对环境和人类健康造成严重危害。

在环境方面，含铬(Ⅵ)废水一旦进入水体，会导致地表水和地下水受到污染，破坏水资源的质量，影响水生态系统的平衡。铬(Ⅵ)在土壤中不断积累，会改变土壤的理化性质，抑制农作物的生长，进而对整个土壤生态系统产生负面影响。从人类健康角度来看，铬(Ⅵ)具有较强的毒性和致癌性，人体通过饮水、食物链等途径摄入含铬(Ⅵ)污染物后，可能会引发器官癌变、基因突变等严重疾病，对人体的免疫系统、呼吸系统、泌尿系统等造成损害。例如，长期接触含铬(Ⅵ)废水的工人，患呼吸道疾病和皮肤疾病的概率明显增加。

为了降低含铬(Ⅵ)废水的危害，各国都制定了严格的排放标准，并积极探索有效的处理方法。传统的含铬(Ⅵ)废水处理方法包括化学还原法、物理吸附法、生物法等。化学还原法通常需要消耗大量的化学药剂，且易产生二次污染；物理吸附法存在吸附剂再生困难、成本较高等问题；生物法虽然具有环境友好的特点，但处理周期较长，处理效率有时难以满足实际需求。因此，开发高效、低成本、环境友好的含铬(Ⅵ)废水处理技术具有重要的现实意义。

微生物染料电池（MicrobialDyeCell，MDC）作为一种新型的废水处理技术，近年来受到了广泛关注。它利用微生物的代谢活动将废水中的有机物转化为电能，同时实现污染物的去除。在MDC中，阴极是发生还原反应的关键部位，其性能直接影响到电池的处理效果和产电性能。天然磁黄铁矿是一种具有独特物理化学性质的矿物，其晶体结构中含有硫和铁元素，具有良好的电子传递性能和半导体性质。将天然磁黄铁矿修饰在微生物染料电池阴极上，有望提高阴极的电子传递效率，增强对含铬(Ⅵ)废水的处理能力。一方面，磁黄铁矿可以作为电子传递介质，促进微生物与电极之间的电子转移，加速铬(Ⅵ)的还原过程；另一方面，其半导体性质有利于降低电子传递的能垒，提高反应速率。此外，天然磁黄铁矿来源广泛、成本相对较低，将其应用于MDC阴极修饰，具有较好的经济可行性和环境友好性。

综上所述，本研究聚焦于天然磁黄铁矿修饰微生物染料电池阴极并应用于含铬(Ⅵ)废水处理，旨在探索一种高效、经济、环保的含铬(Ⅵ)废水处理新途径，不仅有助于解决含铬(Ⅵ)废水的污染问题，保护生态环境和人类健康，还能为微生物染料电池技术在废水处理领域的实际应用提供新的思路和方法，推动该技术的进一步发展和完善。

1.2国内外研究现状

1.2.1微生物染料电池处理含铬(Ⅵ)废水的研究进展

微生物染料电池（MDC）作为一种融合了微生物代谢与电化学过程的技术，近年来在废水处理领域展现出独特的优势，尤其是在含铬(Ⅵ)废水处理方面，受到了众多研究者的关注。

在微生物群落与铬(Ⅵ)还原机制方面，研究发现多种微生物具有还原铬(Ⅵ)的能力。例如，一些异化金属还原菌，如地杆菌属（Geobacter）和希瓦氏菌属（Shewanella），能够利用细胞内的酶系统将铬(Ⅵ)还原为铬(Ⅲ)。这些微生物在MDC的阴极表面附着生长，形成生物膜，通过电子传递链将电子传递给铬(Ⅵ)，实现其还原过程。研究表明，微生物的代谢活性和电子传递效率会受到废水成分、温度、pH值等环境因素的显著影响。当废水的pH值在6-8之间时，微生物的活性较高，对铬(Ⅵ)的还原效果较好；而温度过高或过低都会抑制微生物的生长和代谢，进而影响铬(Ⅵ)的还原速率。

在MDC处理含铬(Ⅵ)废水的性能优化方面，众多研究从电极材料、运行条件等角度展开。在电极材料的探索中，碳基材料，如石墨、活性炭纤维等，由于其良好的导电性和较大的比表面积，被广泛应用于MDC的电极制备。有研究对比了不同碳基电极对含铬(Ⅵ)废水的处理效果，发现活性炭纤维电极能够提供更多的微生物附着位点，从而提高了铬(Ⅵ)的还原效率。通过优化运行条件，如控制废水的流速、调节外电路电阻等，也能有效提升MDC的处理性能。适当降低废水流速，可以延长微生物与铬(Ⅵ)的接触时间，有利于铬(Ⅵ)的充分还原；而选择合适的外电路电阻，则可以使MDC在最佳的产电和处理效率之间达到平衡。

然而，目前微生物染料电池处理含铬(Ⅵ)废水的研究仍存在一些局限性。一方面，MDC的产电效率和铬(Ⅵ)去除效率之间难以达到理想的平衡，往往在追求高铬(Ⅵ)去除率时，产电性能会受