稻壳灰与软钢尘复合陶瓷阳极微生物燃料电池的性能评估：工业废水处理与生物能源回收的新策略

《Scientific Reports》：Performance evaluation of microbial fuel cell using ceramic anode blended with rice husk ash and mild steel dust

本文针对微生物燃料电池(MFC)电极材料成本高的问题，研究人员开发了一种由稻壳灰、软钢尘和土壤复合的低成本陶瓷阳极，用于处理实际纺织染料废水并产生生物电。研究结果表明，含50%稻壳灰的MFC 1性能优异，开路电压达958 mV，功率密度为250 mW/m2，COD去除率88%，色度去除率92%，显著优于不含稻壳灰的MFC 2。该研究为MFC技术在工业废水处理中的规模化应用提供了经济可行的电极材料解决方案。

　　

随着纺织工业的快速发展，含有大量遗传毒性和细胞毒性芳香族化合物的染料废水排放问题日益严重。这类废水中的偶氮染料难以被传统方法有效降解，而物理化学处理方法又存在成本高、易产生二次污染等局限性。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)技术作为一种同时实现废水处理和生物电能产生的创新技术，近年来受到广泛关注。然而，昂贵的电极材料和质子交换膜(Proton Exchange Membrane, PEM)成本限制了该技术的规模化应用。

为了突破这一瓶颈，研究人员将目光投向了低成本陶瓷材料。陶瓷材料具有良好的热稳定性、机械强度、化学惰性和生物相容性，但其在MFC中主要被用作膜材料，作为阳极材料的研究相对较少。虽然农业废弃物衍生的阳极如玉米芯生物炭、过氧化氢处理的玉米芯和稻壳灰等显示出良好的孔隙率和微生物附着性，但往往存在机械强度低或导电性有限的问题。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，Kumar Sonu、Monika Sogani等研究人员开发了一种创新的陶瓷阳极，通过将稻壳灰(Rice Husk Ash)、软钢尘(Mild Steel Dust)和土壤混合，制备出具有优异性能的低成本电极材料。稻壳灰作为一种富含二氧化硅的农业废弃物，能够增强阳极的孔隙率，促进电生微生物的附着生长；而软钢尘则提高了材料的导电性和机械稳定性。这两种废弃物的协同作用使得新型陶瓷阳极在MFC应用中表现出色。

研究团队采用了材料表征与电化学性能评估相结合的方法体系。通过扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)和能量色散X射线光谱(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)分析阳极材料的表面形貌和元素组成；使用双探针法测定电导率，维氏硬度仪测试机械性能；构建了两组MFC系统对比研究，以实际纺织染料废水为底物，监测开路电压(Open Circuit Voltage, OPV)、功率密度(Power Density)、库伦效率(Coulombic Efficiency, CE)、化学需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)去除率和色度去除率等关键指标。

3.1. 阳极的物理性质

研究表明，随着稻壳灰含量的增加，陶瓷阳极的电导率略有下降，但孔隙率显著提高。含50%稻壳灰的阳极水吸收率(Water Intake, WI)达到16.2%，远高于不含稻壳灰的阳极(10.2%)，表明稻壳灰的添加有效增加了材料孔隙率，为微生物附着提供了更有利的环境。同时，稻壳灰的加入虽然略微降低了材料的维氏硬度值，但仍保持了足够的机械强度。

SEM分析显示，陶瓷阳极表面具有多孔结构，非常适合微生物附着生长。经过12天MFC运行后，阳极表面形貌发生明显变化，表明微生物的成功定殖。EDX分析显示阳极中含有丰富的铁、硅和氧元素，其中铁元素来自软钢尘，有助于提高导电性；硅和氧元素来自稻壳灰，有助于增强表面粗糙度和微生物附着。

3.2. 发电性能

极化曲线研究表明，MFC 1(含50%稻壳灰)的性能显著优于MFC 2(不含稻壳灰)。MFC 1的最大开路电压达到958 mV，最大功率密度为250 mW/m²，内阻为1.05 kΩ；而MFC 2的相应值分别为577 mV、86 mW/m²和1.5 kΩ。稻壳灰带来的高孔隙度促进了微生物的富集和电子传递，从而提高了生物发电效率。

3.3. 废水处理效果

在废水处理方面，MFC 1表现出优异的性能，COD去除率达到88%，色度去除率高达92%，显著高于MFC 2(67%和72%)。紫外-可见光谱分析表明，MFC 1对染料废水的降解更为彻底，可见区和紫外区的吸收峰均明显降低，表明偶氮键断裂和芳香族化合物的降解。

3.4. 库伦效率

MFC 1的库伦效率为2.98%，是MFC 2(1.74%)的1.7倍，表明稻壳灰的加入提高了电子回收效率。尽管如此，相对较低的CE值表明存在甲烷生成等竞争性电子消耗途径，这是实际废水处理MFC系统中的常见挑战。

3.5. 与常规吸附方法的比较优势

与传统吸附方法相比，MFC技术不仅实现了高效的色度去除(92%)，还同时完成了COD降解(88%)和生物电能产生(250 mW/m²)，避免了吸附剂再生和二次污染问题。陶瓷阳极由农业和工业废弃物制成，成本低廉(约10美元/公斤)，远低于商业电极材料，具有显著的经济和环境优势。

研究结论表明，稻壳灰-软钢尘复合陶瓷阳极成功解决了MFC电极材料成本高的问题，同时实现了高效的废水处理和生物电能生产。稻壳灰贡献了高孔隙率和微生物附着位点，软钢尘提供了良好的导电性和机械稳定性，二者协同作用使MFC性能显著提升。与传统的农业废弃物阳极相比，该陶瓷阳极在功率密度(250 mW/m²)和COD去除率(88%)方面均表现出优势，为MFC技术在工业废水处理中的规模化应用提供了可行方案。

尽管库伦效率相对较低和热加工能耗是当前系统的主要局限，但通过微生物群落优化和工艺改进，这一技术有望成为纺织工业废水可持续处理的创新解决方案。该研究不仅推动了废弃物资源化利用，也为可再生能源和环境污染控制领域提供了新思路，符合循环经济和可持续发展的理念。