バイオ電気化学システムにおける重金属除去に及ぼす土壌の種類の影響

Effect of soil type on heavy metals removal in bioelectrochemical system.

• Jingran Zhang
• Yanqing Liu
• Yilun Sun
• Hui Wang
• Xian Cao
• Xianning Li

抄録

微生物燃料電池(MFC)技術は土壌の重金属汚染の修復に広く利用されているが、微小電場下での物理的・化学的性質の異なる土壌への適用性はこれまで検討されていなかった。本研究では、代表的な土壌充填型燃料電池(MFC)を用いて銅を効果的に除去した。その結果、水田、赤土、黒土、沖積土を充填した閉回路MFCからの銅の除去効率は、開回路対照群と比較して、それぞれ2.9倍、1.50倍、3.48倍、3.40倍であった。しかし、土壌の種類が異なる条件下では、エレクトロマイグレーションと拡散機構の寄与度が異なっていた。最大の銅除去率（19.3±0.8％）は水田土壌 MFC 内の電場のエレクトロマイグレーションに基づくものであり、最大の銅除去率（25±2％）は赤土 MFC 内の拡散機構の作用によるものであった。冗長性解析の結果、エレクトロマイグレーションによる銅除去は発電性能や酸抽出性銅含有量と正の相関があり、拡散による銅除去は土壌間隙容積や酸抽出性銅含有量と正の相関があることがわかった。また、土壌の陽イオン交換容量と総有機炭素量は酸抽出性銅含有量と負の相関があり、土壌の電気伝導率はMFC発電性能と正の相関があった。さらに、電場下でのプロトンの方向性運動は、クエン酸による土壌の酸性化の問題を緩和することができた。

Microbial fuel cell (MFC) technology is widely used to remediate heavy metal pollution of soil, and the applicability of soils with different physical and chemical properties under micro-electric field has not been studied. In this study, copper was effectively removed in four typical soil-filled MFCs. The removal efficiencies of copper from closed-circuit MFCs filled with paddy, red, black and alluvial soils were 2.9, 1.50, 3.48 and 3.40 times higher than those in the open-circuit control group, respectively. However, the contributions of electromigration and diffusion mechanisms were different under different soil types. The greatest copper removal (19.3 ± 0.8%) was achieved based on electromigration of the electric field inside the paddy soil MFC in 63 days, while the greatest copper removal (25 ± 2%) was achieved under the action of diffusion mechanism inside the red soil MFC. According to redundancy analysis, the removal of copper by electromigration was positively correlated with electricity generation performance and acid extractable Cu content, whereas copper removal based on diffusion was positively related to soil pore volume and acid extractable Cu content. The cation exchange capacity and total organic carbon of soil were negatively correlated with the acid extractable Cu content, and electrical conductivity of soil was positively correlated with the MFC electricity generation performance. Furthermore, the directional movement of protons under an electric field alleviated the issue of soil acidification caused by citric acid.

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