柠檬酸对MFC修复土壤的促进作用

2021-11-25孙艺伦张婧然朱丹丹李先宁

中南大学学报（自然科学版） 2021年10期

孙艺伦，张婧然，朱丹丹，李先宁

（东南大学能源与环境学院，江苏南京，210096）

随着全球工业化的发展，大量工业活动产生的Cu，Cd，Cr，Pb 和As 等重金属通过不同方式进入土壤，造成土壤重金属污染[1-4]。重金属在土壤中具有隐蔽性和累积性，能被土壤胶体吸附而长期存在，不能被微生物降解，甚至可以转化成毒性更强的物质，给土壤污染治理带来更大的难度。此外，重金属对于土壤环境的危害不仅取决于其总量，更取决于其在土壤中的存在形态和各形态所占的比例[5-6]，因此，对于重金属污染土壤的修复工作很有必要。

微生物燃料电池（MFCs）是一种利用微生物作为催化剂，将化学能转化为电能的装置[7-8]，因其具备成本低、可持续性、无需能量输入、清洁环保、能量转化效率高等优点[9-10]，被广泛应用于处理环境污染问题。土壤分布广，易获取，存在着大量种类丰富的有机质和产电菌，且MFC 产生的内部电场可以定向驱动土壤中重金属离子的迁移，使重金属富集在既定土壤区域内，因此，在土壤中构建微生物燃料电池具有天然的优势。目前MFC 已被用来净化重金属污染土壤。HABIBUL等[11]利用双室MFC修复Cd和Pb污染土壤，发现重金属富集在靠近阴极的土壤区域，而靠近阳极的土壤中Cd 和Pb 去除率分别可以达到31.0%和44.1%。CHEN 等[12]研究了MFC 对土壤中Zn 和Cd的去除，发现去除的主要为酸提取态和可还原态重金属。以上研究虽证实了利用MFC 实现土壤中重金属迁移去除的可行性，但MFC 的应用仍存在以下2 个限制：1）高富集土壤中重金属的进一步处理；2）土壤中碱性环境限制了重金属的可移动性。为有效解决这2 个问题，提升MFC 的净化效能和适用性，本文作者构建包括阳极室、土壤室和阴极室在内的三室土壤MFC，利用MFC产生的内部电场驱动土壤中的铜迁移进入阴极，并在阴极的还原作用下还原沉积在阴极片上，实现重金属与土壤的完全剥离；引入柠檬酸投加到土壤中，以实现重金属的脱附，提升重金属的可移动性。柠檬酸是一种可持续的、可生物降解的土壤淋洗剂[13-14]，已被广泛应用于土壤重金属污染治理[15-17]。本研究从土壤MFC 产电性能、铜去除效能、铜的迁移能力以及土壤典型理化性质等角度，分析柠檬酸投加量对MFC 性能的影响机制，以期为提高MFC的整体性能提供参考。

1 材料与方法

1.1 土壤样品的采集与制备

实验用土采自南京市长江边的农业林地，取0～20 cm 厚的表层土壤，剔除植物、石子等杂物，经自然风干后过筛（孔径为2 mm），于室温下保存。土壤基本理化性质如表1所示。

表1 实验用土的基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of experimental soil

实验所用污染土壤的重金属浓度是根据GB15618—1995“土壤环境质量标准”中Ⅲ类农田土壤中的铜质量分数（≤400×10-6）标准，人工配置质量分数为500×10-6的铜污染土壤。根据实验所需质量分数，称取一定质量的CuSO4·5H2O 溶于纯水后混入土壤，搅拌均匀，密封并置于室温保存备用。

1.2 MFC的构建与运行

本实验中采用的三室MFC 由两侧的阳极室、阴极室以及中间的土壤修复室3 个部分组成（见图1）。装置整体采用有机玻璃材料，阳极室和阴极室为立方体构型（边长为60 mm），土壤修复室长为100 mm，宽为60 mm，高为60 mm，依次划分为I，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ共4 个区域。搭建装置时用质子交换膜（PEM）和阳离子交换膜（CEM）分别将阳极室、阴极室与土壤室隔开；以碳毡（长为60 mm，宽为60 mm，厚为5 mm）作为阳极电极材料，不锈钢片（长为60 mm，宽为60 mm，厚为1 mm）作为阴极电极，用钛丝分别将阳极和阴极导出，并连接1 000 Ω的电阻构成闭合回路。

图1 三室土壤MFC构造示意图Fig.1 Structural diagram of three-chamber soil MFC

在MFC 启动阶段，向装置的土壤室和阴极室加满纯水，向阳极室加入10 mL驯化处理后的接种污泥（取自南京市某污水处理厂厌氧池）和氮吹处理过的营养液（成分见表2）。在培养过程中持续监测阳极电势，待电势稳定后，将加入的纯水倒出并将装置擦净，向土壤室中加入360 g Cu污染土壤和300 mL纯水/柠檬酸溶液，在阴极室中加入210 mL磷酸盐缓冲溶液。为了保证迁移到阴极的铜离子在阴极电极上被还原而不是沉淀在阴极液中，将磷酸盐缓冲液的pH 设为3，并保证实验过程中阴极液的pH 始终维持在3.00±0.03。静置2 d 后连接电阻（1 000 Ω）开始实验。

表2 营养液成分（质量浓度）Table 2 Nutrient solution composition（mass concentration）mg/L

1.3 实验设计

为探究柠檬酸对MFC 修复重金属土壤的影响机制，实验选用不同浓度（0.2，0.5 和1 mol·L-1）的柠檬酸分别加入土壤作为实验组（土样编号分别为MFC-1，MFC-2 和MFC-3），对照组土壤（MFC-W）则加入等量纯水。在实验过程中，每7 d 更换1 次阳极室的营养液，并调节阴极液的pH。将土壤室从阳极到阴极方向等分为4 个部分，即区域I，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ，各部分每7 d取1次土样。每组装置设置2个平行组，所有实验都在30 ℃的条件下运行。

1.4 分析与测试

1.4.1 电化学指标的测定

使用数据采集器（DAM3210 和DAM3057，北京阿尔泰科技发展有限公司），每30 min 测1 次MFC 的电压U并保存。此外，MFC 阳极与阴极电势均使用饱和甘汞参比电极（232 型，上海雷磁仪器厂）测得。

实验中采用稳态法测定极化曲线，在MFC 保持断路状态稳定12 h后，改变负载电阻（从10 000 Ω连续降到50 Ω），待装置稳定1 h 后测得电压。根据欧姆定律I=U/R求得电流，再根据J=I/VAN，P=U2/VAN，分别求得电流密度J以及功率密度P，其中I为电流，VAN为阳极体积[18]。MFC 的内阻则根据电流密度和电压所绘的极化曲线的斜率求得[18]。

1.4.2 分析测试方法

将土样和水（无CO2）以1.0∶2.5 的质量比混合，然后分别用pH计和电导率测定仪测得实验中的pH和电导率。土壤中Cu 的总质量采用微波消解法测得，将0.1 g 土样与王水混合，用微波消解仪（MDS-6G，上海）消解，再使用原子吸收光谱仪（AAS400,Perkin-Elmer）进行测定。不同形态Cu 含量的测定如下：取0.1 g 冷冻干燥后的土样通过三级连续提取法（BCR）[19-20]进行测定，测定顺序依次为乙酸提取态、可还原态、可氧化态以及残渣态Cu。用c·c0-1表示修复后的Cu 标准化浓度，其中c为MFC修复后剩余总Cu浓度，c0为土壤初始总Cu浓度。

实验结束后，将实验装置的阴极电极片取出，并进行扫描电镜（SEM）和X 线衍射（XRD）检测，分析阴极还原产物的成分结构。

2 结果与分析

2.1 产电性能

在不同柠檬酸浓度下，MFC 输出电压如图2（a）所示，可见各实验组电压均随时间呈阶段性上升。图中，箭头所示位置为阳极营养液投加时间点，MFC 的输出电压随营养液的加入显著上升，随营养物质的消耗电压下降，即电压随营养液更换呈周期性变化。对比各实验组输出电压可知：随着柠檬酸浓度的增加，MFC 的输出电压也随之增大，MFC-W，MFC-1，MFC-2 和MFC-3 稳定后平均电压分别为0.373，0.400，0.427 和0.464 V。图2（b）所示为MFC 的功率密度曲线和极化曲线。从图2（b）可见：与输出电压的变化一致，MFC 最大功率密度随着柠檬酸浓度的增加而增加，当柠檬酸浓度达到1 mol·L-1时，最大功率密度为0.99 W·m-3。依据极化曲线的线性区域计算结果可知，随着柠檬酸投加浓度增加，各装置内阻依次为685，658，600 和494 Ω，将其与对应的柠檬酸浓度作图，结果如图2（c）所示。由数据拟合分析可知，柠檬酸的添加使MFC 的内阻降低，且与内阻呈显著线性相关（拟合优度R2=0.927）。MFC内阻的降低是由于柠檬酸提高了土壤中质子传递速率和离子迁移速率，柠檬酸浓度越高，这种促进效果越明显，MFC 的内阻越低，进而影响输出电压和功率密度。由此可知，柠檬酸浓度越高，MFC 的产电性能越好。

图2 不同柠檬酸浓度下MFC的产电性能Fig.2 Electricity generation performance of MFC at different citric acid concentrations

2.2 Cu的迁移去除

将添加不同浓度柠檬酸的MFC 修复前后的土样进行取样，对每段土样进行BCR 连续提取，实验结果如图3（a）所示。从图3（a）可见：MFC-W 中Cu 的初始形态里乙酸可提取态质量分数最低，可还原态Cu 质量分数最高；随着柠檬酸浓度的增加，可还原态Cu 的质量分数逐渐减少，相应的乙酸提取态Cu 质量分数显著提高（概率p＜0.05），即柠檬酸主要将可还原态Cu 转变为乙酸可提取态Cu。总体上看，MFC-W中可还原态和乙酸提取态Cu 质量分数都较修复前下降，但前者从区域I～Ⅳ呈现先升高后下降的趋势，后者则逐渐升高。MFC-1经修复后乙酸提取态Cu质量分数显著降低（概率p＜0.05）且可氧化态Cu 质量分数显著升高（概率p＜0.05），推测MFC-1中乙酸提取态Cu并非被全部迁移去除，而是一部分转化为可氧化态Cu。MFC-2 和MFC-3 修复前后变化最为显著的都是乙酸提取态Cu 质量分数，且从区域I～Ⅳ均呈现先升高后降低的趋势，但区别在于MFC-2 的可还原态和可氧化态Cu质量分数都略微升高，而MFC-3的其他形态Cu 质量分数变化并不明显。综上所述可知柠檬酸浓度越高，其维持Cu处于可移动状态（乙酸可提取态）的能力越强，Cu由乙酸提取态向其他形态转化的概率更小。因为在土壤中加入柠檬酸后，金属会与其形成金属-配体络合物，但经过较长时间后，部分柠檬酸被微生物分解利用，导致金属被释放，重新释放的金属在还原条件下转化成可氧化态[21]。该过程对低浓度柠檬酸的实验组结果影响较大，因此，柠檬酸浓度越高，各形态Cu的迁移去除越彻底。

实验结束后，不同土样总Cu 在土壤中的迁移情况如图3（b）所示。从图3（b）可见：各土样中总Cu浓度从I～Ⅲ区均逐渐升高，但在近阴极区（Ⅳ区）均突然下降；除了MFC-W外，添加柠檬酸的各土样中总Cu 都得到一定程度的去除，且随着柠檬酸浓度升高，去除效果越好，效果最好的土样（MFC-3）在I～Ⅳ区的土壤总Cu 迁移去除率分别为56.67%，26.05%，5.83%和49.87%。此外，各土样Ⅳ区的总Cu去除效果也很显著，这是因为近阴极区pH较低，提高了Cu 的潜在迁移能力，且该区迁移路径最短，有利于Cu的迁移。

图3 不同柠檬酸浓度下MFC中Cu的迁移去除情况Fig.3 Migration and removal of Cu in MFC under different citric acid concentrations

取样后，将装置剩余土壤混合均匀，再次取样测量总Cu 浓度，得到不同柠檬酸浓度下各土样总Cu 去除率，如图3（c）和图3（d）所示。可见加入柠檬酸后，土壤中总Cu 的去除率得到显著提高，且柠檬酸浓度与总Cu 去除率呈显著线性相关（R2=0.970）。MFC-3 的总Cu 去除量为66.58 mg，去除率可达37.03%，为对照组的2.02 倍。结合前述讨论可知，柠檬酸的投加对重金属去除效能的影响主要是基于以下2个方面：1）通过提升土壤电导率显著提高了MFC 的产电性能；2）其对重金属可移动性存在提升和维持作用。

2.3 Cu的还原

实验结束时，观察到装置阴极电极片上均有红褐色沉淀，对其进行SEM和XRD测试，结果见图4。从图4（a）可见：MFC-W阴极片的团聚物形态如花椰菜状，体积较小；其他实验组的团聚体由若干小团聚物组成，呈树枝状结构，体积较大。由图4（b），（c）和（d）可以看出：随着柠檬酸浓度的增大，电极片上的沉积物分布越密集。本文阴极还原产物的形态分布与RODENAS等[22]研究结果相似，原因是：1）柠檬酸浓度越高，对Cu2+向阴极迁移还原的促进作用越大，阴极还原产物增大了电极的接触面积，有利于后续Cu2+在之前的沉积物上被还原[23]；2）柠檬酸浓度增加，其对产电性能的促进作用增强，使电流密度变大，加速Cu2+在阴极的还原及其还原产物的堆砌[22]。将阴极片上的沉积物刮下进行XRD检测，结果如图4（e）所示。从图4（e）可见：在43.3°，50.5°和74.2°处均发现Cu 单质的特征衍射峰，且衍射峰的强度随柠檬酸浓度的升高而增加；此外，阴极还原产物均为Cu 单质，与是否添加柠檬酸无关。

图4 不同柠檬酸浓度下MFC阴极的Cu还原Fig.4 Cu reduction of MFC cathode under different citric acid concentrations

2.4 pH和电导率变化

土壤修复前后的pH 变化如图5（a）所示。从图5（a）可见：土壤的初始pH 随柠檬酸浓度的升高而降低，MFC-W，MFC-1，MFC-2 和MFC-3 土样初始pH 分别为7.8，6.6，4.0 和3.3；经过84 d 的运行，MFC-W 的pH 从阳极到阴极逐渐升高，而添加柠檬酸的实验组的pH变化情况则相反：柠檬酸浓度越高，pH 从阳极到阴极下降的趋势越明显。这是因为：1）对照组土壤呈碱性，不利于质子的迁移，但添加柠檬酸后，柠檬酸解离产生H+，内部电场强度增大，加速了质子的传递[24]；2）有机酸的生物降解造成了土壤pH 升高[25]；3）质子在电场的驱动下向Ⅳ区迁移。此外，实验组土样Ⅳ区的pH显著下降，这与阴极液中较高浓度的H+向土壤室中扩散有关。如图5（b）所示，由于高浓度的柠檬酸可以从土壤中萃取更多的离子，随着柠檬酸浓度升高，土壤初始电导率增加，MFC-W，MFC-1，MFC-2 和MFC-3 土样初始电导率分别为0.919，1.398，3.550 和6.590 mS·cm-1。修复后，各土样I～Ⅳ区的电导率均比修复前的高，这是因为土壤中有大量的不溶性盐类，在整个修复过程中，柠檬酸不断与其作用，使得可移动自由离子从土壤中不断溶出，电导率也随之逐渐增加。包括对照组土样在内，各实验组土样I区的电导率均显著高于Ⅱ和Ⅲ区的电导率（MFC-3 除外），这与阳极不断产生H+有关，虽然该区域pH没有降低，但在实验过程中阳极室传递进入土壤中的H+与土壤中的盐类发生了反应，溶出的离子使得电导率升高。实验组土样Ⅳ区土壤电导率最高，主要是受到阳离子在此处聚集的影响，一方面，柠檬酸与Cu2+发生络合反应形成带正电的复合基团，受到电场力作用向阴极迁移；另一方面，阴极液中H+向土壤室近阴极区扩散，造成近阴极区电导率升高。