稻殼灰與軟鋼塵復合陶瓷陽極微生物燃料電池的性能評估：工業廢水處理與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

【字體： 大 中 小 】 時間：2025年12月05日 來源：Scientific Reports 3.9

　　

隨著紡織工業的快速發展，含有大量遺傳毒性和細胞毒性芳香族化合物的染料廢水排放問題日益嚴重。這類廢水中的偶氮染料難以被傳統方法有效降解，而物理化學處理方法又存在成本高、易產生二次污染等局限性。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell, MFC)技術作為一種同時實現廢水處理和生物電能產生的創新技術，近年來受到廣泛關注。然而，昂貴的電極材料和質子交換膜(Proton Exchange Membrane, PEM)成本限制了該技術的規模化應用。

為了突破這一瓶頸，研究人員將目光投向了低成本陶瓷材料。陶瓷材料具有良好的熱穩定性、機械強度、化學惰性和生物相容性，但其在MFC中主要被用作膜材料，作為陽極材料的研究相對較少。雖然農業廢棄物衍生的陽極如玉米芯生物炭、過氧化氫處理的玉米芯和稻殼灰等顯示出良好的孔隙率和微生物附著性，但往往存在機械強度低或導電性有限的問題。

在這項發表于《Scientific Reports》的研究中，Kumar Sonu、Monika Sogani等研究人員開發了一種創新的陶瓷陽極，通過將稻殼灰(Rice Husk Ash)、軟鋼塵(Mild Steel Dust)和土壤混合，制備出具有優異性能的低成本電極材料。稻殼灰作為一種富含二氧化硅的農業廢棄物，能夠增強陽極的孔隙率，促進電生微生物的附著生長；而軟鋼塵則提高了材料的導電性和機械穩定性。這兩種廢棄物的協同作用使得新型陶瓷陽極在MFC應用中表現出色。

研究團隊采用了材料表征與電化學性能評估相結合的方法體系。通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy, SEM)和能量色散X射線光譜(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDX)分析陽極材料的表面形貌和元素組成；使用雙探針法測定電導率，維氏硬度儀測試機械性能；構建了兩組MFC系統對比研究，以實際紡織染料廢水為底物，監測開路電壓(Open Circuit Voltage, OPV)、功率密度(Power Density)、庫倫效率(Coulombic Efficiency, CE)、化學需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)去除率和色度去除率等關鍵指標。

3.1. 陽極的物理性質

研究表明，隨著稻殼灰含量的增加，陶瓷陽極的電導率略有下降，但孔隙率顯著提高。含50%稻殼灰的陽極水吸收率(Water Intake, WI)達到16.2%，遠高于不含稻殼灰的陽極(10.2%)，表明稻殼灰的添加有效增加了材料孔隙率，為微生物附著提供了更有利的環境。同時，稻殼灰的加入雖然略微降低了材料的維氏硬度值，但仍保持了足夠的機械強度。

SEM分析顯示，陶瓷陽極表面具有多孔結構，非常適合微生物附著生長。經過12天MFC運行后，陽極表面形貌發生明顯變化，表明微生物的成功定殖。EDX分析顯示陽極中含有豐富的鐵、硅和氧元素，其中鐵元素來自軟鋼塵，有助于提高導電性；硅和氧元素來自稻殼灰，有助于增強表面粗糙度和微生物附著。

3.2. 發電性能

極化曲線研究表明，MFC 1(含50%稻殼灰)的性能顯著優于MFC 2(不含稻殼灰)。MFC 1的最大開路電壓達到958 mV，最大功率密度為250 mW/m²，內阻為1.05 kΩ；而MFC 2的相應值分別為577 mV、86 mW/m²和1.5 kΩ。稻殼灰帶來的高孔隙度促進了微生物的富集和電子傳遞，從而提高了生物發電效率。

3.3. 廢水處理效果

在廢水處理方面，MFC 1表現出優異的性能，COD去除率達到88%，色度去除率高達92%，顯著高于MFC 2(67%和72%)。紫外-可見光譜分析表明，MFC 1對染料廢水的降解更為徹底，可見區和紫外區的吸收峰均明顯降低，表明偶氮鍵斷裂和芳香族化合物的降解。

3.4. 庫倫效率

MFC 1的庫倫效率為2.98%，是MFC 2(1.74%)的1.7倍，表明稻殼灰的加入提高了電子回收效率。盡管如此，相對較低的CE值表明存在甲烷生成等競爭性電子消耗途徑，這是實際廢水處理MFC系統中的常見挑戰。

3.5. 與常規吸附方法的比較優勢

與傳統吸附方法相比，MFC技術不僅實現了高效的色度去除(92%)，還同時完成了COD降解(88%)和生物電能產生(250 mW/m²)，避免了吸附劑再生和二次污染問題。陶瓷陽極由農業和工業廢棄物制成，成本低廉(約10美元/公斤)，遠低于商業電極材料，具有顯著的經濟和環境優勢。

研究結論表明，稻殼灰-軟鋼塵復合陶瓷陽極成功解決了MFC電極材料成本高的問題，同時實現了高效的廢水處理和生物電能生產。稻殼灰貢獻了高孔隙率和微生物附著位點，軟鋼塵提供了良好的導電性和機械穩定性，二者協同作用使MFC性能顯著提升。與傳統的農業廢棄物陽極相比，該陶瓷陽極在功率密度(250 mW/m²)和COD去除率(88%)方面均表現出優勢，為MFC技術在工業廢水處理中的規模化應用提供了可行方案。

盡管庫倫效率相對較低和熱加工能耗是當前系統的主要局限，但通過微生物群落優化和工藝改進，這一技術有望成為紡織工業廢水可持續處理的創新解決方案。該研究不僅推動了廢棄物資源化利用，也為可再生能源和環境污染控制領域提供了新思路，符合循環經濟和可持續發展的理念。