生物電化學(xué)體系提高洛克沙胂轉(zhuǎn)化效率的3種方式

許潤東　施華升　趙冉冉

摘要 本試驗(yàn)構(gòu)建了3種生物電化學(xué)體系的串并聯(lián)方式，研究了不同生物電化學(xué)系統(tǒng)對洛克沙胂的轉(zhuǎn)化與各反應(yīng)器不串聯(lián)或并聯(lián)時(shí)對洛克沙胂的轉(zhuǎn)化情況。結(jié)果表明，在電極面積為6.3 cm2和37.5 cm2的電化學(xué)串聯(lián)系統(tǒng)，各電化學(xué)體系中洛克沙胂轉(zhuǎn)化效率均有不同程度的增加；在25.0 cm2和25.0 cm2的電化學(xué)并聯(lián)系統(tǒng)，洛克沙胂轉(zhuǎn)化效率均增加。在50.0 cm2和0 cm2的電化學(xué)并聯(lián)系統(tǒng)，面積為50.0 cm2的電化學(xué)體系轉(zhuǎn)化效率增加；面積為0 cm2的電化學(xué)體系轉(zhuǎn)化受到抑制。

關(guān)鍵詞 洛克沙胂；生物電化學(xué)體系；轉(zhuǎn)化效率；串聯(lián)；并聯(lián)

中圖分類號 X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）16-0231-03

Abstract To improve roxarsone′s tranformation in bio-electrolchemical systems，this study constructed 3 bio-electrolchemical systems with series or parallel mode.The results showed that in the iseries connection system which electrode area were 6.3 cm2 and 37.5 cm2，the conversion efficiency improved differently；in the parallel connection system which electrode area were 25.0 cm2 and 25.0 cm2，the conversion efficiency both improved；in the parallel connection system which electrode area were 0 cm2 and 50.0 cm2，the conversion efficiency improved in 50.0 cm2，but the conversion efficiency decreased in 0 cm2.

Key words roxarsone；bio-electrolchemical system；conversion efficiency；iseries connection；parallel connection

洛克沙胂（roxarsone，簡寫ROX）化學(xué)名為3-硝基-4-羥基苯胂酸，是一種有機(jī)砷類飼料添加劑，被廣泛運(yùn)用于畜禽養(yǎng)殖中[1]。而養(yǎng)殖場對于含有洛克沙胂的糞便往往沒有較好地處理，導(dǎo)致糞便中的砷以各種形式進(jìn)入環(huán)境，其中有部分進(jìn)入水體，對水體造成污染[2-3]。

微生物電化學(xué)體系（bio-electrochemical system）是利用產(chǎn)電微生物將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能的裝置[4-5]。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過降低生物電化學(xué)體系的內(nèi)電阻并且給予適當(dāng)?shù)耐怆娮栌欣谔岣呱镫娀瘜W(xué)體系的性能[6]；或者修飾電極，使用催化劑；向陽極添加電子介體；改變電池結(jié)構(gòu)等方式來提高電化學(xué)體系的性能。生物電化學(xué)體系目前最大的瓶頸是如何提高產(chǎn)電性能以及如何降低制作成本。生物電化學(xué)體系由于內(nèi)阻的原因輸出電壓相對降低[7]。

本試驗(yàn)構(gòu)建了3個(gè)生物電化學(xué)體系的串并聯(lián)方式，改變了生物電化學(xué)體系的產(chǎn)電條件，分別研究了2個(gè)相同功率的電化學(xué)體系并聯(lián)、2個(gè)不同功率電化學(xué)體系并聯(lián)以及2個(gè)不同電化學(xué)體系串聯(lián)共3種情況下生物電化學(xué)體系對洛克沙胂的轉(zhuǎn)化情況與各反應(yīng)器不串聯(lián)時(shí)對洛克沙胂的轉(zhuǎn)化情況的對比研究，以期為洛克沙胂轉(zhuǎn)化提供新思路。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為生物電化學(xué)體系、洛克沙胂。

1.2 試驗(yàn)方法

取7個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后在未串并聯(lián)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，分別在0、8、16、24、32、40、48 h取樣，檢測并記錄電壓。之后重新啟動(dòng)反應(yīng)器，將反應(yīng)器進(jìn)行串并聯(lián)，并檢測取樣。

1.3 生物電化學(xué)體系的構(gòu)建

本試驗(yàn)使用3種不同的串聯(lián)、并聯(lián)方式（圖1）來探究生物電化學(xué)體系提高轉(zhuǎn)化ROX轉(zhuǎn)化效率的方法。

1.4 檢測項(xiàng)目與方法

本試驗(yàn)使用高效液相色譜儀（安捷倫1260）檢測樣品中ROX及其衍生產(chǎn)物的含量；使用原子熒光形態(tài)分析儀（北京吉天儀器AFS-8220）檢測樣品中AsⅢ、AsⅤ的含量。使用ROX流動(dòng)相，按照規(guī)范操作使用安捷倫高效液相色譜儀檢測ROX與3-硝基-4-羥基苯胂酸（HAPA），使用制備的還原劑與載流以及無機(jī)砷流動(dòng)相，按照說明規(guī)范操作原子熒光形態(tài)分析測試儀，檢測無機(jī)砷。將得到的數(shù)據(jù)保存于電腦中，使用電壓記錄儀記錄電壓。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Origin作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 各產(chǎn)電條件下洛克沙胂的生物轉(zhuǎn)化

由圖2可知，陽極碳?xì)置娣e為6.3 cm2的電化學(xué)體系經(jīng)24 h濃度轉(zhuǎn)化至33.0 μmol/L，不串聯(lián)的則轉(zhuǎn)化至31.0 μmol/L；48 h串聯(lián)的濃度降低至8.3 μmol/L，未串聯(lián)的濃度降低至4.3 μmol/L。8 h洛克沙胂轉(zhuǎn)化效率17.8%。串聯(lián)的37.5 cm2電化學(xué)體系在24 h內(nèi)洛克沙胂濃度轉(zhuǎn)化至1.9 μmol/L，在32 h時(shí)陽極液內(nèi)的洛克沙胂即已轉(zhuǎn)化完畢，8 h洛克沙胂轉(zhuǎn)化效率62.2%。HAPA的生成基本與洛克沙胂的轉(zhuǎn)化保持一致，經(jīng)串聯(lián)的37.5 cm2與6.3 cm2電化學(xué)體系在反應(yīng)24 h時(shí)分別產(chǎn)生0.069 mmol/L與0.041 mmol/L濃度的HAPA，未串聯(lián)的37.5 cm2與6.3 cm2電化學(xué)體系24 h反應(yīng)分別產(chǎn)生0.05 mmol/L與0.037 mmol/L的HAPA。串聯(lián)的37.5 cm2電池在反應(yīng)進(jìn)行到32 h時(shí)HAPA濃度達(dá)到峰值0.071 mmol/L，之后逐漸下降，在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)降低至0.066 mmol/L。而同面積未串聯(lián)的電池也在32 h時(shí)HAPA濃度達(dá)到峰值0.066 mmol/L，之后逐漸降低至0.064 mmol/L。二者總體趨勢保持一致。而經(jīng)串聯(lián)的6.3 cm2的電化學(xué)體系HAPA一直保持上升趨勢。反應(yīng)24 h陽極HAPA濃度達(dá)到0.041 mmol/L，在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)，陽極HAPA濃度為0.063 mmol/L。未串聯(lián)的6.3 cm2電化學(xué)體系HAPA也一直在上升，經(jīng)24 h后HAPA濃度上升至0.037 mmol/L，48 h反應(yīng)濃度升至0.064 mmol/L。endprint

由圖3可知，當(dāng)2個(gè)不同電壓的電池并聯(lián)，在 8 h時(shí)碳?xì)置娣e為50.0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX濃度即轉(zhuǎn)化至0.033 mmol/L，轉(zhuǎn)化效率58%，而正常產(chǎn)電的50.0 cm2電化學(xué)體系反應(yīng)8 h時(shí)陽極ROX濃度降至0.053 mmol/L；碳?xì)置娣e為0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX濃度8 h降低至0.073 mmol/L，轉(zhuǎn)化效率4.4%。而未并聯(lián)的電化學(xué)體系在8 h時(shí)陽極ROX濃度轉(zhuǎn)化至0.065 mmol/L。在反應(yīng)至24 h碳?xì)置娣e為50.0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX濃度轉(zhuǎn)化至0.076 μmol/L，而正常產(chǎn)電的50.0 cm2電化學(xué)體系在反應(yīng)中期陽極ROX濃度降至0.013 mmol/L；碳?xì)置娣e為0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX在反應(yīng)中期濃度降低至0.049 mmol/L，而未并聯(lián)的電化學(xué)體系在反應(yīng)中期陽極ROX濃度轉(zhuǎn)化至0.036 mmol/L。在反應(yīng)至32 h時(shí)碳?xì)置娣e為50.0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX濃度轉(zhuǎn)化完畢，而正常產(chǎn)電的50.0 cm2電化學(xué)體系在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)陽極ROX濃度降至0.7 μmol/L；碳?xì)置娣e為0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)濃度降低至0.02 mmol/L，而未并聯(lián)的電化學(xué)體系在反應(yīng)中期陽極ROX濃度轉(zhuǎn)化至0.004 2 mmol/L。

反應(yīng)16 h時(shí)2個(gè)電極面積相同的并聯(lián)電化學(xué)體系陽極洛克沙胂濃度分別降低至0.022、0.019 mmol/L，8 h洛克沙胂轉(zhuǎn)化效率分別為42.6%與46.2%。正常反應(yīng)的電化學(xué)體系陽極內(nèi)洛克沙胂濃度降低至0.042 mmol/L。反應(yīng)周期進(jìn)行1/2時(shí)并聯(lián)組電化學(xué)體系內(nèi)洛克沙胂濃度降至0.009 mmol/L與0.01 mmol/L，正常的電化學(xué)體系洛克沙胂濃度降低至0.02 mmol/L。經(jīng)32 h并聯(lián)組電池洛克沙胂轉(zhuǎn)化完。并聯(lián)的2個(gè)25.0 cm2電化學(xué)體系HAPA濃度上升趨勢基本一致，24 h的HAPA濃度分別上升至0.063 mmol/L與0.064 mmol/L，在40 h時(shí)二者HAPA濃度均達(dá)到峰值，分別為0.07 mmol/L與0.07 mmol/L，48 h時(shí)HAPA濃度分別為0.067 mmol/L與0.068 mmol/L。

對于HAPA，并聯(lián)面積為50.0 cm2的電化學(xué)體系HAPA濃度在24 h時(shí)出現(xiàn)峰值0.071mmol/L，之后HAPA濃度逐漸降低，在反應(yīng)結(jié)束時(shí)HAPA濃度降低至0.06 mmol/L。而未并聯(lián)的50.0 cm2的電化學(xué)體系在40 h時(shí)HAPA濃度達(dá)到峰值0.067 mmol/L，在反應(yīng)結(jié)束時(shí)HAPA濃度降低至0.062 mmol/L。并聯(lián)的陽極碳?xì)置婕盀? cm2的電化學(xué)體系在反應(yīng)中期陽極HAPA濃度0.028 mmol/L，在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)HAPA濃度達(dá)到0.054 mmol/L。正常反應(yīng)的電化學(xué)體系在24 h時(shí)HAPA濃度達(dá)到0.041 mmol/L，在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)HAPA濃度為0.069 mmol/L。

并聯(lián)狀態(tài)對不同陽極碳?xì)置娣e的電化學(xué)體系有著明顯的區(qū)別，對于碳?xì)置娣e較大的電化學(xué)體系具有明顯的促進(jìn)作用，而對于面積較小的電化學(xué)體系則有明顯的抑制作用。各電化學(xué)體系轉(zhuǎn)化效率見表1。

2.2 各電化學(xué)體系的電壓

由圖4可知，與正常產(chǎn)電條件相比，相同面積并聯(lián)電壓48 h降低至278 mV，不同面積并聯(lián)電壓48 h降低至225 mV，不同面積串聯(lián)電壓48 h降低至252 mV。

面積較大的電化學(xué)體系在并聯(lián)過程中電壓均降低，而面積較小的電化學(xué)體系電壓升高。在串聯(lián)條件下，2個(gè)串聯(lián)電池的電壓并沒有提高整體電壓。

3 結(jié)論

（1）陽極碳?xì)置娣e為6.3 cm2的電化學(xué)體系經(jīng)48 h串聯(lián)，洛克沙胂濃度降低至8.3 μmol/L，未串聯(lián)的濃度降低至4.3 μmol/L。串聯(lián)的37.5 cm2電化學(xué)體系在32 h時(shí)，陽極液內(nèi)的洛克沙胂即已轉(zhuǎn)化完畢；而同面積未串聯(lián)電池也在32 h時(shí)HAPA濃度達(dá)到峰值0.066 mmol/L，48 h降低至0.064 mmol/L。未串聯(lián)的6.3 cm2電化學(xué)體系HAPA一直在上升，經(jīng)48 h反應(yīng)濃度升至0.064 mmol/L。經(jīng)串聯(lián)的面積為6.3 cm2的電化學(xué)體系8 h轉(zhuǎn)化效率提升2.8%，串聯(lián)的面積為37.5 cm2的電化學(xué)體系8 h轉(zhuǎn)化效率提升30.2%。

（2）2個(gè)并聯(lián)的電化學(xué)體系陽極洛克沙胂濃度經(jīng)32 h并聯(lián)組電池洛克沙胂轉(zhuǎn)化完。正常的電化學(xué)體系洛克沙胂濃度24 h降低至0.02 mmol/L。并聯(lián)的2個(gè)25.0 cm2電化學(xué)體系48 h HAPA濃度分別為0.067 mmol/L與0.068 mmol/L。當(dāng)2個(gè)25.0 cm2（厚度5 mm）面積的電化學(xué)體系并聯(lián)時(shí)，電化學(xué)體系轉(zhuǎn)化功率整體上升，并且每個(gè)電化學(xué)體系對陽極一定濃度洛克沙胂的轉(zhuǎn)化效率均提升。并聯(lián)的電化學(xué)體系8 h ROX轉(zhuǎn)化效率提升21.8%。

（3）2個(gè)不同電壓的電池串聯(lián)， 8 h時(shí)碳?xì)置娣e為 50.0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系在反應(yīng)至32 h時(shí)ROX轉(zhuǎn)化完，而正常產(chǎn)電的50.0 cm2電化學(xué)體系在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)陽極ROX濃度降至0.7 μmol/L；碳?xì)置娣e為0 cm2的并聯(lián)電化學(xué)體系內(nèi)ROX在反應(yīng)周期結(jié)束時(shí)濃度降低至0.02 mmol/L，而未并聯(lián)的電化學(xué)體系在反應(yīng)中期ROX濃度降低至0.004 2 mmol/L。并聯(lián)面積為50.0 cm2的電化學(xué)體系8 h時(shí)ROX轉(zhuǎn)化效率提升28.4%，并聯(lián)面積為0 cm2的電化學(xué)體系8 h時(shí)ROX轉(zhuǎn)化效率降低10%。

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