《Journal of Cleaner Production》：Aluminum-doped carbon anodes derived from denim waste for high-performance microbial fuel cells: Electrochemical enhancement and life-cycle sustainability
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本研究将牛仔布废料通过碳甲基纤维素涂层和硫酸铝交联，经800℃碳化制成三维铝掺杂碳阳极。该阳极在微生物燃料电池中处理甘蔗汁废水时，展现出760±8.6mV的开路电压和1174±9.8mW/m2的最大功率密度，较商业碳布提升5.4倍。生命周期评估表明，其环境效益显著优于传统阳极材料。
艾哈迈德·阿博塔莱布（Ahmed Abotaleb）、阿卜杜拉·M·阿卜杜拉（Abdalla M. Abdalla）、阿什拉夫·艾哈迈德（Ashraf Ahmed）、马哈茂德·F·穆巴拉克（Mahmoud F. Mubarak）、谢哈布·E·阿里（Shehab E. Ali）、萨莉·霍斯尼（Sally Hosny）、阿比尔·埃尔·沙哈维（Abeer El Shahawy）
苏伊士运河大学工程学院土木工程系，邮政信箱41522，伊斯梅利亚，埃及
摘要
本研究提出了一种更清洁的生产途径，通过将牛仔布废料转化为高性能阳极来同时实现废水处理和能源回收，这些阳极可用于微生物燃料电池（MFCs）。首先，废布料被涂覆上羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose），然后与硫酸铝（aluminum sulfate）交联，最后进行碳化处理，从而制备出三维铝掺杂碳阳极。在这种方法中，铝离子既作为碳化催化剂，又作为生物相容性掺杂剂，有助于形成石墨结构、增加表面积并提高导电性，同时不会对电活性微生物产生不利影响。在800°C下碳化的优化阳极表现出539 m2/g的高比表面积，并促进了生物膜的形成和细胞外电子转移。当该阳极应用于处理甘蔗废水的单室MFCs时，其开路电压达到760 ± 8.6 mV，最大功率密度为1174 ± 9.8 mW/m2，相比商用碳毡提高了5.4倍。电化学性能的提升伴随着废水处理效率的提高，化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD5）的去除率分别达到了65%和74%。通过生命周期评估（以每产生1 Wh电量为一个功能单位），发现与传统碳毡阳极相比，在气候变化、人类毒性、生态毒性和资源消耗等方面环境影响显著降低。通过整合纺织品废料的价值利用、节能电极制备和生物电化学废水处理技术，本研究展示了一条可扩展、易于设计且环保的路径，以实现更清洁的能源和循环资源管理。
引言
环境污染和能源短缺是威胁农村地区生活质量的紧迫问题，这些问题还加剧了淡水短缺危机，影响了农田灌溉并波及整个生态系统（Fayiga等人，2018年）。直接排放的废水导致水体持续恶化，进一步加剧了水资源短缺问题（Ukaogo等人，2020年）。此外，农村地区产生的废水量和特性每天都有所变化，这使得分散式和紧凑型废水处理系统成为更为可靠和经济的选择（Lin等人，2022年）。微生物燃料电池（MFCs）是农村废水处理领域最有前景的技术之一。MFCs是一种可持续且环保的系统，能够同时处理废水并利用其中储存的化学能（Logan等人，2006年）。据报道，废水中所含的能量足以覆盖其处理所需的能量，使其成为重要的可再生能源（Oliveira等人，2013年）。MFCs利用电活性微生物催化废水中的有机污染物氧化，并收集产生的电子在外部电路中形成电流。
同时，质子通过阳极液迁移到阴极，在那里发生还原反应（Slate等人，2019年）。然而，MFCs的低功率密度和较高的材料成本限制了其在实际应用中的广泛应用（Franks和Nevin，2010年）。多种因素影响MFCs的性能，包括电极结构和特性、电极之间的距离、质子交换膜的导电性、细菌群落组成以及电池配置（Mohyudin等人，2022年）。其中，阳极结构是影响MFCs性能的关键因素，因为它承载着电活性微生物以及氧化过程中产生的电子（Moqsud等人，2013年）。理想的MFC阳极应具有高导电性、良好的生物相容性、大表面积和低成本（Wang等人，2017年）。碳是最理想的阳极材料。为了提高细胞外电子转移和细菌附着能力，科学家们开发了合成具有理想特性的碳基阳极的技术，或对商用碳材料（如碳毡和碳布）进行改性（Mohanakrishna等人，2018年）。碳电极被掺杂了各种纳米颗粒，如金、锰、铂、镍、钴和氧化石墨烯，或这些材料的组合（Sun等人，2010年；Dessie等人，2020年；Gnana Kumar等人，2014年；Braihi等人，2014年；Abotaleb等人，2024年；Aiswaria等人，2022年；Starowicz等人，2023年；Birry等人，2011年）。然而，研究发现用金属掺杂碳阳极可能对电活性微生物有毒，这对MFC的性能有显著负面影响（Pavel等人，2012年）。因此，建议使用铝和铁等生物相容性金属（Pi?a和Cervantes，1996年）。
羧甲基纤维素（CMC）是最丰富的生物聚合物之一，可由木质和非木质前体制备。它是纤维素的衍生物，其中羟基的氢原子被羧基钠取代。CMC可溶于水，具有优异的膨胀性能，是一种优良的凝胶材料（Rahman等人，2021年）。研究表明，通过与硫酸铝交联，铝原子可以嵌入CMC凝胶结构中。每三个CMC分子通过一个铝原子连接（Tao等人，2022年）。此外，交联的CMC凝胶可以与其他填料结合使用，作为碳化的前体，生成具有高表面积和良好机械及物理性能的三维碳网络（Yildirim-Yalcin等人，2022年）。
尽管许多研究探索了用于MFCs的金属掺杂碳阳极，但大多数方法依赖于纳米颗粒沉积技术，这会增加成本、降低表面积并带来微生物毒性的风险。很少有研究探讨金属离子是否可以在聚合物前体阶段同时作为碳化催化剂和良性掺杂剂，尤其是使用纺织品废料作为原料时。
我们假设铝交联的CMC可以促进催化碳化，从而提高表面积、导电性并增强微生物电子转移，且不会产生毒性。
在本研究中，我们展示了一种新颖且经济有效的方法，通过直接碳化布料-CMC-铝（cloth-CMC-Alum）将其转化为易于大规模生产的、高效的3D铝掺杂碳阳极，用于微生物燃料电池。研究了该阳极的化学成分和形态结构，并将其应用于以甘蔗汁废水为原料的微生物燃料电池中，评估了其性能，并与广泛用于燃料电池的商用碳材料——碳毡进行了比较。
化学品和材料
羧甲基纤维素和八水合硫酸铝从印度Alpha Chemika公司购买；高纯度丙酮从埃及Alfa Chemical Group购买；普通碳布和碳毡从美国的Fuel Cells商店获取；PVDF从德国Alfa Aesar购买；DMF从埃及Piochem购买；活性炭从NICE Chemicals LTD购买；碳纳米管从埃及石油研究所获得；牛仔布废料来自...
阳极表征
多项研究证实了CMC与硫酸铝的交联过程，即通过用铝原子替换CMC中的钠原子来实现交联。由于铝原子为三价，因此它可以与三个不同的CMC分子形成三个键（Braihi等人，2014年）。图1展示了碳化前的Al-CMC结构示意图。
目标和范围定义
本生命周期评估（LCA）的目的是定量比较基于牛仔布废料的铝掺杂碳阳极（Alum-800）与传统商用碳毡阳极在MFC系统中的应用环境性能。评估旨在确定将纺织品废料转化为功能性生物电化学电极是否在其整个生命周期内提供比化石衍生碳材料更大的环境优势。
评估SDG实现框架
为了评估两种阳极系统（商用碳毡和基于牛仔布废料的Alum-800）对全球可持续性目标的贡献，开发了一个基于SDG的评估框架。该框架将环境生命周期指标与经济和技术性能指标相结合，并将其映射到相关的联合国可持续发展目标（SDGs）上。该方法遵循了可持续材料和废水研究中已建立的SDG-LCA方法（Sala等人，...
总结与结论
本研究探索了一种利用铝颗粒增强微生物燃料电池中碳基阳极电极性能的新方法。实验室规模的电池以批处理模式运行了7天，以评估所提出阳极的电化学性能。用铝颗粒掺杂碳化后的布料不仅提高了其电化学性能，还改善了其形态结构。与基于农业废料的碳阳极相比，制备的阳极具有更好的机械性能...
CRediT作者贡献声明
艾哈迈德·阿博塔莱布（Ahmed Abotaleb）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、研究、数据分析、概念化。
阿卜杜拉·M·阿卜杜拉（Abdalla M. Abdalla）：撰写——审阅与编辑、方法学设计、研究。
阿什拉夫·艾哈迈德（Ashraf Ahmed）：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法学设计。
马哈茂德·F·穆巴拉克（Mahmoud F. Mubarak）：撰写——审阅与编辑、软件开发、数据分析。
谢哈布·E·阿里（Shehab E. Ali）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、方法学设计、研究、数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
