Microbial electrolysis cells with biocathodes and driven by microbial fuel cells for simultaneous enhanced Co(II) and Cu(II) removal

Abstract

Cobalt and copper recovery from aqueous Co(II) and Cu(II) is one critical step for cobalt and copper wastewaters treatment. Previous tests have primarily examined Cu(II) and Co(II) removal in microbial electrolysis cells (MECs) with abiotic cathodes and driven by microbial fuel cell (MFCs). However, Cu(II) and Co(II) removal rates were still slow. Here we report MECs with biocathodes and driven by MFCs where enhanced removal rates of 6.0±0.2 mg∙L⁻¹∙h⁻¹ for Cu(II) at an initial concentration of 50 mg∙L⁻¹ and 5.3±0.4 mg∙L⁻¹ h⁻¹ for Co(II) at an initial 40 mg∙L⁻¹ were achieved, 1.7 times and 3.3 times as high as those in MECs with abiotic cathodes and driven by MFCs. Species of Cu(II) was reduced to pure copper on the cathodes of MFCs whereas Co(II) was removed associated with microorganisms on the cathodes of the connected MECs. Higher Cu(II) concentrations and smaller working volumes in the cathode chambers of MFCs further improved removal rates of Cu(II) (115.7 mg∙L⁻¹∙h⁻¹) and Co(II) (6.4 mg∙L⁻¹∙h⁻¹) with concomitantly achieving hydrogen generation (0.05±0.00 mol∙mol⁻¹ COD). Phylogenetic analysis on the biocathodes indicates Proteobacteria dominantly accounted for 67.9% of the total reads, followed by Firmicutes (14.0%), Bacteroidetes (6.1%), Tenericutes (2.5%), Lentisphaerae (1.4%), and Synergistetes (1.0%). This study provides a beneficial attempt to achieve simultaneous enhanced Cu(II) and Co(II) removal, and efficient Cu(II) and Co(II) wastewaters treatment without any external energy consumption.

Keywords

biocathode / microbial electrolysis cell / microbial fuel cell / Cu(II) removal / Co(II) removal

References

[1] Freitas M B J G, Celante V G, Pietre M K. Electrochemical recovery of cobalt and copper from spent Li-ion batteries as multilayer deposits. Journal of Power Sources, 2010, 195(10): 3309–3315

[2] Tao H C, Liang M, Li W, Zhang L J, Ni J R, Wu W M. Removal of copper from aqueous solution by electrodeposition in cathode chamber of microbial fuel cell. Journal of Hazardous Materials, 2011, 189(1−2): 186–192

[3] Jiang L, Huang L, Sun Y. Recovery of flakey cobalt from aqueous Co(II) with simultaneous hydrogen production in microbial electrolysis cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(2): 654–663

[4] Li W, Yu H, He Z. Towards sustainable wastewater treatment by using microbial fuel cells-centered technologies. Energy & Environmental Science, 2014, 7(3): 911–924

[5] Modin O, Wang X, Wu X, Rauch S, Fedje K K. Bioelectrochemical recovery of Cu, Pb, Cd, and Zn from dilute solutions. Journal of Hazardous Materials, 2012, 235−236: 291–297

[6] Tao H C, Lei T, Shi G, Sun X N, Wei X Y, Zhang L J, Wu W M. Removal of heavy metals from fly ash leachate using combined bioelectrochemical systems and electrolysis. Journal of Hazardous Materials, 2014, 264: 1–7

[7] Luo H, Liu G, Zhang R, Bai Y, Fu S, Hou Y. Heavy metal recovery combined with H₂ production from artificial acid mine drainage using the microbial electrolysis cell. Journal of Hazardous Materials, 2014, 270: 153–159

[8] Luo H, Qin B, Liu G, Zhang R, Tang Y, Hou Y. Selective recovery of Cu²⁺ and Ni²⁺ from wastewater using bioelectrochemical system. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2015, 9(3): 522–527.

[9] Wu D, Pan Y, Huang L, Quan X, Yang J. Comparison of Co(II) reduction on three different cathodes of microbial electrolysis cells driven by Cu(II)-reduced microbial fuel cells under various cathode volume conditions. Chemical Engineering Journal, 2015, 266: 121–132

[10] Wu D, Pan Y, Huang L, Zhou P, Quan X, Chen H. Complete separation of Cu(II), Co(II) and Li(I) using self-driven MFCs-MECs with stainless steel mesh cathodes under continuous flow conditions. Separation and Purification Technology, 2015, 147: 114–124

[11] Rosenbaum M A, Franks A E. Microbial catalysis in bioelectrochemical technologies: status quo, challenges and perspectives. Applied Microbiology and Biotechnology, 2014, 98(2): 509–518

[12] Wang A, Cheng H, Ren N, Cui D, Lin N, Wu W. Sediment microbial fuel cell with floating biocathode for organic removal and energy recovery. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2012, 6(4): 569–574

[13] Xia X, Sun Y, Liang P, Huang X. Long-term effect of set potential on biocathodes in microbial fuel cells: electrochemical and phylogenetic characterization. Bioresource Technology, 2012, 120: 26–33

[14] Huang L, Regan J M, Quan X. Electron transfer mechanisms, new applications, and performance of biocathode microbial fuel cells. Bioresource Technology, 2011, 102(1): 316–323

[15] Wang Y, Liu X, Li W, Li F, Wang Y, Sheng G, Zeng R, Yu H. A microbial fuel cell-membrane bioreactor integrated system for cost-effective wastewater treatment. Applied Energy, 2012, 98: 230–235

[16] Fradler K R, Michie I, Dinsdale R M, Guwy A J, Premier G C. Augmenting microbial fuel cell power by coupling with supported liquid membrane permeation for zinc recovery. Water Research, 2014, 55: 115–125

[17] Huang L, Yao B, Wu D, Quan X. Complete cobalt recovery from lithium cobalt oxide in self-driven microbial fuel cell-microbial electrolysis cell systems. Journal of Power Sources, 2014, 259: 54–64

[18] Huang L, Chai X, Chen G, Logan B E. Effect of set potential on hexavalent chromium reduction and electricity generation from biocathode microbial fuel cells. Environmental Science & Technology, 2011, 45(11): 5025–5031

[19] Wang A J, Cheng H Y, Liang B, Ren N Q, Cui D, Lin N, Kim B H, Rabaey K. Efficient reduction of nitrobenzene to aniline with a biocatalyzed cathode. Environmental Science & Technology, 2011, 45(23): 10186–10193

[20] Zhang G, Zhao Q, Jiao Y, Zhang J, Jiang J, Ren N, Kim B H. Improved performance of microbial fuel cell using combination biocathode of graphite fiber brush and graphite granules. Journal of Power Sources, 2011, 196(15): 6036–6041

[21] Huang L, Chai X, Quan X, Logan B E, Chen G. Reductive dechlorination and mineralization of pentachlorophenol in biocathode microbial fuel cells. Bioresource Technology, 2012, 111: 167–174

[22] Liang P, Wei J, Li M, Huang X. Scaling up a novel denitrifying microbial fuel cell with an oxic-anoxic two stage biocathode. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2013, 7(6): 913–919

[23] Fan Y, Hu H, Liu H. Enhanced Coulombic efficiency and power density of air-cathode microbial fuel cells with an improved cell configuration. Journal of Power Sources, 2007, 171(2): 348–354

[24] Fan Y, Han S K, Liu H. Improved performance of CEA microbial fuel cells with increased reactor size. Energy & Environmental Science, 2012, 5(8): 8273–8280

[25] Logan B E. Essential data and techniques for conducting microbial fuel cell and other types of bioelectrochemical system experiments. ChemSusChem, 2012, 5(6): 988–994

[26] Zhang Y, Yu L, Wu D, Huang L, Zhou P, Quan X, Chen G. Dependency of simultaneous Cr(VI), Cu(II) and Cd(II) reduction on the cathodes of microbial electrolysis cells self-driven by microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 2015, 273: 1103–1113

[27] Varia J, Martínez S S, Orta S V, Bull S, Roy S. Bioelectrochemical metal remediation and recovery of Au³⁺, Co²⁺ and Fe³⁺ metal ions. Electrochimica Acta, 2013, 95: 125–131

[28] Batlle-Vilanova P, Puig S, Gonzalez-Olmos R, Vilajeliu-Pons A, Bañeras L, Balaguer M D, Colprim J. Assessment of biotic and abiotic graphite cathodes for hydrogen production in microbial electrolysis cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(3): 1297–1305

[29] Sharma M, Bajracharya S, Gildemyn S, Patil S A, Alvarez-Gallego Y, Pant D, Rabaey K, Dominguez-Benetton X. A critical revisit of the key parameters used to describe microbial electrochemical systems. Electrochimica Acta, 2014, 140: 191–208

[30] Harnisch F, Freguia S. A basic tutorial on cyclic voltammetry for the investigation of electroactive microbial biofilms. Chemistry, an Asian Journal, 2012, 7(3): 466–475

[31] Huang L, Liu Y, Yu L, Quan X, Chen G. A new clean approach for production of cobalt dihydroxide from aqueous Co(II) using oxygen-reducing biocathode microbial fuel cells. Journal of Cleaner Production, 2015, 86: 441–446

[32] Huang L, Shi Y, Wang N, Dong Y. Anaerobic/aerobic conditions and biostimulation for enhanced chlorophenols degradation in biocathode microbial fuel cells. Biodegradation, 2014, 25(4): 615–632

[33] Silva-Martínez S, Roy S. Copper recovery from tin stripping solution: Galvanostatic deposition in a batch-recycle system. Separation and Purification Technology, 2013, 118: 6–12

[34] Cheng S A, Wang B S, Wang Y H. Increasing efficiencies of microbial fuel cells for collaborative treatment of copper and organic wastewater by designing reactor and selecting operating parameters. Bioresource Technology, 2013, 147: 332–337

[35] Liao L, Xu X W, Jiang X W, Wang C S, Zhang D S, Ni J Y, Wu M. Microbial diversity in deep-sea sediment from the cobalt-rich crust deposit region in the Pacific Ocean. FEMS Microbiology Ecology, 2011, 78(3): 565–585

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge financial support from the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51178077 and 21377019), Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education “SRFDP” (No. 20120041110026) and Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Team in University (IRT_13R05).

Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11783-015-0805-y and is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg