微生物燃料電池陰陽極修飾耦合作用及其處理畜禽廢水產(chǎn)電特性研究.pdf

1、可再生能源的開發(fā)和環(huán)境污染的治理是當(dāng)今世界實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題。畜禽廢水作為一種典型的高濃度有機(jī)廢水，已成為繼工業(yè)污染、生活污染之后的第三大污染源。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用電化學(xué)活性微生物的催化作用將有機(jī)物中所含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、反應(yīng)條件溫和、清潔無污染等優(yōu)勢。該技術(shù)獨(dú)特的產(chǎn)能方式使得其能夠在處理有機(jī)廢棄物的同時(shí)轉(zhuǎn)化其中所含的化學(xué)能為電能，從而為解決

2、能源危機(jī)問題以及環(huán)境污染問題提供新的思路，實(shí)現(xiàn)雙贏的局面。
　　 當(dāng)前MFC的研究尚處于起步階段，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展仍然面臨許多挑戰(zhàn)。其中，較低的功率輸出是限制該技術(shù)商業(yè)化和工程實(shí)際應(yīng)用的主要障礙。如何通過對陰陽極材料修飾改性來降低陰陽極電極過電勢，進(jìn)一步優(yōu)化提高M(jìn)FC的整體產(chǎn)電性能尤顯重要。
　　 本文以單室空氣陰極MFC為基礎(chǔ)，從陰陽極材料修飾改性方面對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能進(jìn)行優(yōu)化，探討了該技術(shù)處理畜禽廢水及其產(chǎn)電性

3、能，并研究了纖維素與畜禽廢水協(xié)同降解產(chǎn)電作用，以期望推動微生物燃料電池技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域和生物質(zhì)能利用領(lǐng)域的早日應(yīng)用。
　　 首先考察了畜禽廢水水質(zhì)（COD濃度、pH值、電導(dǎo)率）和外電阻對MFC產(chǎn)電特性和廢水處理效果的影響。MFC輸出電壓隨畜禽廢水濃度的升高不斷增大，運(yùn)行周期也顯著增加。當(dāng)COD濃度從1240 mg/L增加到8248 mg/L時(shí)，電池最大輸出電壓增加了70 mV，MFC運(yùn)行周期從17h增加到77 h。MFC功率密

4、度隨pH升高而變大，COD去除效果和庫侖效率都有所提升。當(dāng)廢水pH值為6.0、8.0、10.0時(shí)，COD去除率分別達(dá)到64.7％、71.2％、78.6％; pH=10.0時(shí)系統(tǒng)最大功率密度比pH=6.0時(shí)提升了75.8％，庫侖效率提升了131％。添加電解質(zhì)提高廢水電導(dǎo)率可以提高M(jìn)FC輸出功率。當(dāng)添加NaCl濃度從0mM增加到200mM時(shí)，MFC最大功率密度提高了1.26倍。外電阻越小，電路中電流越大，COD去除效率越高。短路時(shí)MFC處理

5、畜禽廢水效果最好，去除率達(dá)到71.5％。
　　 其次對水合肼化學(xué)還原修飾碳纖維布陽極的方法進(jìn)行了優(yōu)化，并與采用硝酸修飾方法處理的陽極進(jìn)行對比。當(dāng)使用30％水合肼乙醇溶液修飾陽極時(shí)MFC產(chǎn)電效果最佳，反應(yīng)器啟動時(shí)間縮短了30％左右，電池內(nèi)阻從231Ω下降到176Ω，最大功率密度提升了30.7％，庫侖效率提高了24.3％。與未修飾MFC反應(yīng)器(CM-CA)相比，硝酸修飾陽極MFC(CM-NA)和優(yōu)化后水合肼修飾陽極MFC(CM-HA

6、)的最大功率密度分別提升了24％和19％。分析認(rèn)為修飾使碳纖維布材料的比表面積增大，反應(yīng)活性點(diǎn)增多，改變材料表面氮氧官能團(tuán)，提高了電極的電化學(xué)性能，加快了陽極與產(chǎn)電微生物之間的電子傳遞速度從而降低了陽極過電勢，改善MFC的產(chǎn)電性能。陽極生物膜CV測試顯示，修飾后電極上的產(chǎn)電生物膜具有更好的電化學(xué)活性。
　　 隨后采用硝酸、水合肼預(yù)處理方法修飾的載Pt空氣陰極，修飾后陰極LSV測試顯示電流響應(yīng)增強(qiáng)，表明對氧的催化還原能力得到提高，

7、加快陰極反應(yīng)速率，降低了陰極反應(yīng)過電勢，從而提升MFC產(chǎn)電能力。未修飾MFC反應(yīng)器(CM-CC/Pt)最大功率密度為655±7 mW/m2，采用硝酸修飾陰極MFC反應(yīng)器(CM-NA/Pt)和水合肼修飾陰極MFC反應(yīng)器(CM-HA/Pt)的最大功率密度分別提高了24％和21％。
　　 將修飾改性的陰極和陽極應(yīng)用于同一MFC反應(yīng)器中，證明了陰陽極同時(shí)修飾方法具有耦合作用，其產(chǎn)電性能相對于陽極或者陰極單獨(dú)修飾MFC得到進(jìn)一步提升。硝酸

8、同時(shí)修飾陰陽極NN反應(yīng)器最大功率密度達(dá)到905±15 mW/m2，與未修飾MFC反應(yīng)器(CC，655±7 mW/m2)相比提升了38％;水合肼同時(shí)修飾陰陽極HH反應(yīng)器最大功率密度也相應(yīng)提升了31％。陰陽極同時(shí)修飾MFC反應(yīng)器中陽極產(chǎn)電微生物膜電化學(xué)活性比電極單獨(dú)修飾時(shí)更高。陰陽極同時(shí)修飾MFC反應(yīng)器可進(jìn)一步提高了畜禽廢水的處理效果和產(chǎn)電能力。當(dāng)pH=10.0時(shí)處理畜禽廢水產(chǎn)電效果達(dá)到最佳，CC反應(yīng)器、NN反應(yīng)器、HH反應(yīng)器最大功率密度分