铀(Uranium,U)是核能工业发展的关键战略资源,然而铀矿开采、冶炼等开发过程造成严重的铀污染问题亟需解决。目前,酸法地浸被广泛用于铀矿开采,导致酸性铀矿废水中硫酸盐浓度与六价U(U(Ⅵ))含量远超我国排放标准限值,对铀矿区周边的生态环境与公共健康安全造成严重威胁。传统的物理化学法存在运行成本高、适应性差和二次污染等问题,难以有效去除酸性含铀废水。微生物还原铀技术提供了一种低成本、低能耗且环境友好的U(VI)去除途径,在处理酸性铀矿废水方面展现出较好的潜力。硫酸盐还原菌(Sulfate-reducing bacteria,SRB)可将高毒性且易迁移的U(VI)还原为低毒性且难溶的U(IV),并通过异化作用实现硫酸盐还原,在处理酸性铀矿废水方面具有前景。然而,酸性铀矿废水的碳/氮比低、毒性高,易造成SRB中毒或失活,并缺乏足够的电子供体以驱动铀还原过程,导致酸性铀矿废水去除效率低。微生物电解池(Microbial Electrolysis Cell,MEC)可通过外电路提供电子驱动SRB生物阴极实现硫酸盐还原,并促进SRB将U(VI)还原为U(IV)沉积于电极表面,实现废水中铀的有效分离与安全去除。然而,由于受到MEC阴极生物富集慢和胞外电子传递效率低等因素的影响,阴极SRB成膜质量相对较差、表面活性生物量低,系统处理含铀废水的效率较低。理想的阴极材料应具备优异的导电性、稳定的物化特性以及良好的生物相容性。衍生碳材料因具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构、良好的化学稳定性和高导电性等优点,是开发生物阴极的理想基底材料。因此,本论文合成了棉花衍生碳改性SRB生物阴极应用于MEC处理酸性铀矿废水,通过材料结构特征分析、催化活性评估和反应机制解析,开展了衍生碳修饰SRB阴极电化学系统的生物成膜、电子传递和铀还原转化等方面的机制研究,提出系统的优化调控策略。主要研究内容与结果如下: (1)针对阴极生物膜活性差的问题,通过热解法制备了棉花生物质衍生碳电极材料。研究发现,棉花衍生碳(Cotton-derived Carbon,CC)为麻花状碳纳米纤维结构,比表面积高达151 m²/g。CC修饰生物阴极可提升电极表面粗糙度,同时引入C=O、C-O等含氧官能团,显著改善电极的亲水性,促进SRB的定植与生物膜形成,降低铀对SRB的毒性影响,提高生物阴极催化活性。MEC-CC系统对铀的去除效率达到81.5%,显著高于空白对照组(MEC-Control,29.3%)。 (2)针对阴极表面活性生物量低的问题,通过聚多巴胺聚合-高温碳化策略制备氮掺杂棉花衍生碳材料电极(Nitrogen-doped cotton-derived carbon,N-C)。结果表明,N-C中的吡啶氮与吡咯氮增强了SRB胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)与电极表面的相互作用,促进微生物在电极表面富集并形成均匀致密的生物膜。此外,氮掺杂衍生碳调控生物膜的EPS组成成分,减少生成低导电性多糖,并促进腐殖酸等电子穿梭体的富集,加快生物阴极生物膜的电子转移过程。最终,MEC-N-C系统硫化物生成量达65.7 mg/L,铀的去除效率为89.7%。 (3)针对生物阴极电子传递效率低的问题,合成了高活性钴氮共掺杂棉花衍生碳电极(Cobalt-nitrogen co-doped cotton-derived carbon,Co/N-C)。结果表明,Co/N-C电极的Co-N_x活性位点加快了电子传递,导致MEC-Co/N-C系统的铀去除效率高达95.53%,显著高于MEC-CC和MEC-N-C。理论计算表明Co/N-C电极展现出最优的吸附能(-1.48e V),O-Co键长为2.67(?),揭示了钴与氮掺杂位点可诱导界面电子密度重新分布,有效增强阴极对UO₂⁺的化学吸附能。基于16S r RNA基因的高通量测序结果表明,Co-N-C特异性富集变形菌门的硫酸盐还原菌和厚壁菌门的严格梭菌属(Clostridium sensu stricto7)。其中,Clostridium sensu stricto 7通过发酵代谢产生氢气作为电子供体参与U(VI)还原,与硫酸盐还原菌协同提升MEC系统对含铀废水的去除效率。