微生物燃料電池用于低品位錳礦浸提的研究*

林 梅，盧國賢，農(nóng)富鈞，盧 波，廖思明，黃 俊，高曉梅，覃秋容，梁士頡，肖 寧，彭立新**

(1.廣西科學(xué)院，國家非糧生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心，非糧生物質(zhì)酶解國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530007；2.南方錳業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西南寧 532315)

錳是一種重要的戰(zhàn)略資源，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、錳合金及錳電池等多個方面。廣西是我國錳礦探明儲量第一的產(chǎn)區(qū)，其探明儲量占全國總儲量的38.5%，但大部分為低品位貧錳礦，占比為76.91%，而富礦石僅占3.75%[1]。此外，經(jīng)過長期開采，高品位錳礦資源銳減，綜合利用低品位錳礦資源對于緩解我國錳礦資源緊張及提高企業(yè)效益具有實(shí)際意義。近年來，隨著浸提環(huán)保要求的提高，生物有機(jī)物浸提[2]，如蔗渣[3]、糖蜜酒精廢液[4-6]也運(yùn)用在低品位的礦物浸提上，為人們提供以廢治廢、資源化利用的新途徑。但由于有機(jī)廢液組成復(fù)雜，與礦物進(jìn)行混合后，各有機(jī)組分反應(yīng)活化不同，尾水并未能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。此外，有機(jī)廢液與礦物混合，一方面加大了后期對金屬凈化分離的難度，另一方面，廢液中增加的金屬、礦漿及其他成分進(jìn)一步增加了后期廢液的生化處理難度。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是近年迅速發(fā)展起來的一種廢水處理技術(shù)，也是一種利用微生物的催化作用，將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。微生物燃料電池利用底物廣泛，產(chǎn)電過程中幾乎沒有其他形式的能量耗散，具有較高的理論能量轉(zhuǎn)化效率。目前，以希瓦菌屬(Shewanella)和地桿菌屬(Geobacter)為模式菌株，通過對Shewanella中的Quinones、CymA與MtrCAB途徑，Geobacter中的OMCs系統(tǒng)及pili納米導(dǎo)線的研究，人們對細(xì)胞色素、pili納米導(dǎo)線、內(nèi)生電子介質(zhì)的胞外電子傳遞過程有了一定的認(rèn)識[7]。此外，在MFC基礎(chǔ)上衍生出來的微生物電解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)[8,9]與微生物脫鹽燃料電池(Microbial Desalination Cell,MDC)[10-12]，可用于生物制氫、脫鹽或海水淡化，進(jìn)一步擴(kuò)大MFC在多領(lǐng)域中的運(yùn)用。特別是近幾年微生物電合成(Microbial Electrosynthesis，MES)的出現(xiàn)，由于能利用電能作為能量輸入，驅(qū)動還原CO2或有機(jī)物合成，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[13]。

近幾年MFC也見于重金屬廢水處理[14]、土壤修復(fù)研究與礦物的濕法浸提應(yīng)用研究中[18]。該技術(shù)主要利用高價態(tài)重金屬離子陰極端富集并發(fā)還原反應(yīng)，使其價態(tài)穩(wěn)定或毒性降低。MFC反應(yīng)中還原氧化分開進(jìn)行的工作特征，提示可以利用該特征將有機(jī)廢水的氧化與低品位錳礦浸提還原反應(yīng)分開進(jìn)行，從而減少兩者混合導(dǎo)致的再次污染問題。但目前，無論是用于土壤修復(fù)、原位場地修復(fù)還是礦物浸提的MFC反應(yīng)器，都是在比較溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行。而為了提高礦物浸提效率，MFC在陰極端會使用到強(qiáng)酸堿或高溫反應(yīng)條件，如何將陽極端微生物反應(yīng)條件與陰極端極端反應(yīng)耦合是一大挑戰(zhàn)。本研究中，筆者通過改進(jìn)MFC反應(yīng)器，探索性地將模擬廢水的氧化與低品位錳礦浸提還原反應(yīng)分開進(jìn)行，用于礦物的浸提，擬實(shí)現(xiàn)廢水的資源化利用。

1 材料與方法

1.1 MFC與礦物浸提MFC構(gòu)造

本實(shí)驗(yàn)中對照組與礦物浸提MFC反應(yīng)器均以玻璃材質(zhì)的H型反應(yīng)器為原型，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置2組平行，兩極反應(yīng)器有效容積均為160 mL。對照組的H型反應(yīng)器主要由陽極室、陰極室及質(zhì)子交換膜(Nafion117)組成。陽極端采用碳?xì)肿鳛殡姌O，圓柱形，尺寸為5.5 cm(高)×1.5 cm(直徑)；陰極端采用石墨棒作為電極，圓柱形，尺寸為5.5 cm(高)×2.5 cm(直徑)。以模擬廢水作為陽極液，主要成分如下：NH4Cl 0.31 g/L,KCl 0.13 g/L,NaH2PO4·2H2O 3.32 g/L,Na2HPO4·12H2O 10.32 g/L，乙酸鈉6.8 g/L，維生素和礦物元素。陰極液用50 mmol/L的K3[Fe(CN)6]磷酸緩沖液(Na2HPO4·12H2O 17.91 g/L，KH2PO46.8 g/L)。

礦物浸提MFC在以上H型反應(yīng)器基礎(chǔ)上改造而成，其陽極室與對照組相同，陰極室在原結(jié)構(gòu)上嵌入一礦物質(zhì)室組成(圖1)，礦物質(zhì)室通過陽離子交換膜在底部進(jìn)行物質(zhì)的隔離與離子的交換。陰電極由石墨電極構(gòu)成，其尺寸為4 cm(高)×1.5 cm(直徑)，將其插入被礦物粉末填充的礦物質(zhì)室內(nèi)，并通過外線路與石墨陽電極相連接，構(gòu)成一個完整的電池組。具體制備方法如下：將錳礦粉碎研磨，取過200目篩的軟錳礦粉末(MnO2含量為23%) 20 g，先加入少量礦物粉在礦物質(zhì)室中，加載石墨電極后，再注入剩余礦物粉，邊加載邊振蕩使礦物粉末與石墨電極充分接觸壓實(shí)；然后取10 mL濃度為5%的H2SO4，將三價鐵鹽Fe2(SO4)30.5 g溶于其中，均勻注入礦物質(zhì)室中，使其成為漿狀，混合后用Parafilm封口膜封閉礦物質(zhì)室開口端，防止溶液蒸發(fā)。礦物質(zhì)室置于1 mol/L的(NH4)2SO4(pH值為5)電解質(zhì)中。工作過程中，MFC通過外接1 000 Ω電阻形成閉合回路，其輸出電壓由泓格PISO-813采集卡采集，每隔1 min采集1次電壓數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)在30℃恒溫箱中進(jìn)行。

圖1 常規(guī)H型MFC反應(yīng)器與礦物浸提MFC構(gòu)造圖Fig.1 MFC structure diagram of conventional H type MFC reactor and mineral extraction

1.2 礦物成分及反應(yīng)底物分析

采用高氯酸氧化硫酸亞鐵銨滴定法測定礦物中的MnO2含量，處理前后的礦物樣品用掃描電鏡觀察其表面形態(tài)，EDS(X射線能量色散譜分析法)對礦物表面微觀區(qū)域的元素進(jìn)行分析。XRD(X射線衍射儀)用于礦物成分分析。MFC陽極液中底物的降解程度用化學(xué)需氧量(COD)來評估，采用快速消解分光光度法(WTW試劑)測定。

1.3 微生物群落多樣性分析

對MFC陽極端取0.1 g陽極碳?xì)郑褂肞owerSoilTM(MIOBIO)試劑盒提取附著在碳?xì)稚系木夯蚪MDNA，DNA樣品送至北京諾禾致源科技股份有限公司對16S rRNA的V3區(qū)域進(jìn)行二代高通量測序。

2 結(jié)果與分析

2.1 MFC運(yùn)行過程

在運(yùn)行礦物浸提MFC之前，與對照組進(jìn)行相同的馴化過程，均以污水廠厭氧污泥作為馴化菌群進(jìn)行接種。陽極液在接種前及換液過程中均作氮?dú)獯得撎幚?，陰極液與陽極液同時更換。通過馴化使其菌群在碳?xì)稚现?，產(chǎn)電性能穩(wěn)定在0.6 V左右，啟動礦物浸提MFC。實(shí)驗(yàn)持續(xù)至陰極端錳礦粉末由黑色變?yōu)榈S色，整個運(yùn)行時間約為214 d，取同組多個周期進(jìn)行COD去除率的檢測與數(shù)據(jù)分析，對照組MFC的陰陽兩極液及礦物浸提MFC的陽極液均以7 d為一個周期進(jìn)行更換，而礦物浸提MFC礦物質(zhì)室的維護(hù)以15 d為一個周期，每次補(bǔ)充2 mL 5%的H2SO4溶液維持陰極室的運(yùn)行。當(dāng)對照組MFC反應(yīng)穩(wěn)定后[圖2(a)]，在新的工作周期開始后，短時間內(nèi)可達(dá)到最高電壓0.631 V，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，其電壓逐漸下降，在117.7 h后，電壓降到0.466 V，隨后陡然下降，電壓穩(wěn)定139 h后，降到50 mV以下。在礦物浸提MFC反應(yīng)器中[圖2(b)]，其輸出電壓先在短時間內(nèi)達(dá)到0.74 V，然后在2 h達(dá)到最高電壓0.781 V，隨后逐漸下降，在52.7 h后陡然下降到0.5 V左右，隨后電壓繼續(xù)下降最終穩(wěn)定在0.2 V。當(dāng)取下降到峰值電壓一半作為處理結(jié)束點(diǎn)時，在相同碳源條件下，礦物浸提MFC的反應(yīng)周期為3 d，顯著小于對照組MFC 5.19 d的處理時間。通過對兩種反應(yīng)器中陽極液COD的測定，當(dāng)輸出電壓降到峰值一半時，對照組COD降到440，相對于起始反應(yīng)液的COD值3 521，其COD去除率為87.5%；而在礦物浸提MFC中，當(dāng)電壓下降到峰值一半(0.4 V)時，其COD降至320，其去除率為90.9%。礦物浸提MFC的高輸出功率增強(qiáng)了對COD的去除能力。

圖2 礦物浸提MFC與對照組MFC的輸出電壓曲線Fig.2 Voltage output curves of MFC with mineral extraction and control group

2.2 MnO2的浸提

在礦物浸提MFC中，由于陰極室增加了緩沖層，將礦物浸提室與陽極室進(jìn)行隔離。在礦物浸提室內(nèi)，礦物粉與酸進(jìn)行混合浸潤后，可接受來自于陽極的電子進(jìn)行還原反應(yīng)。當(dāng)可溶性錳離子或其他可溶性金屬離子進(jìn)入緩沖層后，可以通過緩沖層的(NH4)2SO4對其他的金屬除雜，從而實(shí)現(xiàn)對錳離子的分離凈化，可用于下游的電解硫酸錳。使用EDS分析浸提前后的礦物成分(圖3)，其MnO2由浸提前的23%下降到浸提后的0.98%。由于Mn元素的去除，K、Al、Fe、Si元素的含量由原來的1.6%、12.0%、5.12%、13.5%增加到12.7%、18.4%、8.4%、41.7%。XRD的結(jié)果也觀察到，在處理后SiO2、Al2O3組分樣品總含量增加(圖4)。

圖3 MnO2及礦物浸提前、中、后期礦物成分的電鏡與EDS譜圖分析Fig.3 Analysis of SEM and EDS spectra of MnO2 and minerals before,middle and after leaching

圖4 二氧化錳及礦物浸提前后XDR譜圖分析Fig.4 XDR spectrum analysis of MnO2 and minerals before and after leaching

2.3 產(chǎn)電微生物的菌群結(jié)構(gòu)分析

為進(jìn)一步研究礦物浸提MFC反應(yīng)條件下陽極端菌群結(jié)構(gòu)，利用16S rRNA高通量測序的方法，比較對照組與礦物浸提MFC菌群的種類。在對照組MFC中，Geobacter占總菌群的85%，其后依次是Microvirgula(4.5%)，Petrimonas(2.7%)，Desulfovibrio(1.8%)。而在礦物浸提MFC中，Geobacter的比例增加，占總菌群的95%，其次分別為Petrimonas(1.1%)，Desulfovibrio(0.9%)，Microvirgula(0.9%)。結(jié)果顯示，以乙酸鈉為碳源的模擬廢水中，盡管Geobacter為嚴(yán)格的厭氧菌，但在半開放操作的MFC中依然占據(jù)微生物菌群的主要地位。在以乙酸鈉為碳源的MFC反應(yīng)器中，Geobacter在陽極端是較為常見且占主要地位的菌群類型，本實(shí)驗(yàn)對照組MFC中也觀察到類似的結(jié)論。在礦物浸提MFC反應(yīng)器中，Geobacter的比例為95%，高于對照組(85%)，與MFC產(chǎn)電性能呈正相關(guān)關(guān)系。該結(jié)果提示在以乙酸鈉為碳源的反應(yīng)液中，高的產(chǎn)電性能有利于Geobacter微生物的富集。

3 討論

由于廣西地處亞熱帶，光照時間長，有著豐富的生物資源，微生物[19]、農(nóng)業(yè)廢棄物蔗渣[3]、糖蜜酒精廢液[4]等也常用于低品位錳礦濕法浸提的研究，這為人們提供了以廢治廢、資源化利用的新途徑。其中，最為常見的是使用甘蔗糖蜜酒精廢水，主要原因?yàn)閺V西是全國糖業(yè)主產(chǎn)區(qū)(占全國產(chǎn)量的66%以上)，其副產(chǎn)物糖蜜用于發(fā)酵生產(chǎn)酒精，會產(chǎn)生大量甘蔗糖蜜酒精廢水，占廣西工業(yè)有機(jī)廢水排放的70%。但由于有機(jī)廢液組成復(fù)雜，含有還原性羥基、醛基以及類似的其他復(fù)雜基團(tuán)，包括還原單糖、多糖、纖維素、半纖維素等多種組分，與礦物混合后，各有機(jī)組分反應(yīng)活化不同，雖然浸提后最終反應(yīng)液中COD、BOD或色素能部分去除，但并未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。這種有機(jī)廢液與礦物的混合物，一方面增加對錳元素純化的難度，另一方面廢液中增加的金屬、礦漿及其他成分，加大了浸提液的處理難度。通過本實(shí)驗(yàn)的開展，礦物浸提MFC給復(fù)雜性有機(jī)廢水用于低品位錳礦的浸提提供了新的思路，即通過MFC的反應(yīng)特征將MnO2還原與有機(jī)物的氧化分開進(jìn)行，從而避免直接混合反應(yīng)中有機(jī)廢液尾端處理及錳元素的凈化問題。

盡管MnO2作為錳電池的放電機(jī)制已有大量報(bào)道，如Mn4+在酸性條件下，會從陰極端接收電子生成可溶性錳離子Mn2+(MnO2+4H++2e→Mn2++2H2O)，但由于錳礦是多元屬組成的復(fù)雜體系，除二氧化硅、二價四價錳外，錳礦還附合鐵、鋁、鉛、鋅、鎂、銀等金屬元素。在復(fù)雜體系中許多金屬離子在溶液中都不是以簡單離子形態(tài)存在，如常規(guī)硫鐵礦對錳礦的濕法浸提工藝中[20]，MnO2在稀硫酸溶液中主要是通過硫鐵礦產(chǎn)生的亞鐵離子還原與溶解，主要反應(yīng)為

2MnO2+2Fe2++8H+→2Mn2++2Fe3++4H2O，

其中，MnO2被Fe2+還原為Mn2+，而硫鐵礦被氧化為Fe3+，這兩個氧化-還原反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行，可不斷還原浸出低品位錳。此外，在FeSO4對錳礦的浸提過程中，在不同酸度中鐵離子還會以不同的物相存在溶液中[21]。如在弱堿性條件下，鐵會以Fe(OH)3形式析出溶液，而在酸性條件下主要以Fe3+離子形式存在浸提溶液中。

MnO2+2FeSO4+2H2O→MnSO4+

Fe(OH)SO4+Fe(OH)3,

MnO2+2FeSO4+H2SO4→MnSO4+

2Fe(OH)SO4,

MnO2+2FeSO4+2H2SO4→MnSO4+

Fe2(SO4)3+2H2O。

在實(shí)驗(yàn)過程中，筆者觀察到錳礦物漿中酸度與Fe2+/Fe3+兩個因素對MnO2浸出速率與輸出電壓值影響較大。結(jié)合以上結(jié)論，在礦物浸提MFC陰極端其總體反應(yīng)應(yīng)為Fe3+在陰極上還原生成低態(tài)Fe2+后，繼而與MnO2發(fā)生氧化還原反應(yīng)(MnO2+2Fe2++4H+→Mn2++2Fe3++2H2O)，而Fe2+/Fe3+在礦物浸提過程得到循環(huán)利用。因此，通過增加外源Fe2+/Fe3+離子可增加礦物浸提MFC的輸出電壓。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的礦物浸提MFC反應(yīng)器可以較好地耦合陽極端產(chǎn)電微生物溫和的反應(yīng)條件與陰極極端的反應(yīng)條件，為MFC用于有機(jī)廢水處理及低品位錳礦浸提資源化提供了新途徑。通過浸提機(jī)理的探討，酸性條件Fe2+/Fe3+循環(huán)利用可能是MnO2浸提價態(tài)下降的主要方式。礦物浸提MFC進(jìn)一步發(fā)展，可以延伸到重金屬廢水處理、土壤/場地修復(fù)、氧化型礦物浸提等應(yīng)用場景中，從而擴(kuò)展MFC現(xiàn)實(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。