微小槽道內產(chǎn)電菌成膜及其產(chǎn)電特性.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）作為一種新型的生物能源轉換技術，是利用產(chǎn)電菌作為陽極反應的催化劑，將有機物中的化學能轉化為電能的裝置。根據(jù)反應器尺度來說，微型化是微生物燃料電池的重要發(fā)展趨勢之一，微型化之后可以作為微生物基礎研究的平臺或者用作新型便攜式電源驅動微型傳感器、低能耗集成電路、可植入式生物醫(yī)學設備及不便更換燃料的偏遠地區(qū)電子設備，因此，得到了國內外研究者的廣泛重視。層流型微流體微生物燃料電池相對

2、于傳統(tǒng)的微型微生物燃料電池，去除了用于分隔陰陽極的質子交換膜，不但降低了成本，而且減小了電池內阻，有利于提高電池的產(chǎn)電。然而，目前層流型微流體微生物燃料電池陽極微小槽道內產(chǎn)電菌成膜的機理研究有待深入，需要外部驅動設備，嚴重限制了層流型微流體微生物燃料電池的發(fā)展。根據(jù)層流型微流體微生物燃料電池的成膜條件，本文構建了微小槽道內陽極產(chǎn)電菌成膜反應器，系統(tǒng)研究了不同啟動條件下微小槽道內產(chǎn)電菌的成膜及其產(chǎn)電特性，采用光學顯微鏡實時觀測了陽極產(chǎn)電菌

3、的整個成膜過程，采用掃描電子顯微鏡表征了成膜后產(chǎn)電菌生物膜的微觀形貌，并對成膜后生物膜的電化學性能進行了測試。此外，本文還提出了一種只依靠重力來驅動陰陽極液流動的新型層流型微流體微生物燃料電池，實現(xiàn)了全被動式的結構，研究了其啟動特性，以及不同外阻、不同溫度、間斷反應物供給條件下電池的電壓響應特性。
　　本研究主要內容包括：⑴不同陽極液流量下產(chǎn)電菌附著成膜所需時間無明顯區(qū)別，但其成膜過程及成膜完成后形貌特征差異較大，電化學活性及產(chǎn)電

4、性能略有差別。在陽極流量為100μL/min、200μL/min、800μL/min下產(chǎn)電菌成膜的啟動時間都接近為45h。從數(shù)碼圖像和光學顯微鏡圖像可知，在較高陽極液流量下，濃度邊界層較薄，生物膜附著量較多。此外，不同陽極液流量下產(chǎn)電菌附著成膜呈現(xiàn)出差異較大的微觀形貌特征，陽極液流量100μL/min下形成的生物膜疏松多孔，陽極液流量200μL/min下形成的生物膜較為密集均勻，陽極液流量升至800μL/min時生物膜更為厚實且在入口處

5、出現(xiàn)皸裂狀特征。較小陽極液流量下產(chǎn)電菌成膜過程中底物供給不充分，故其產(chǎn)電性能及生物電化學活性較差。較大陽極液流量下，產(chǎn)電菌成膜過程中底物供應充足，但由于較大的剪切力導致生物膜附著厚實，底物在膜傳遞阻力增加，故陽極液流量為200μL/min時產(chǎn)電菌所形成的生物膜生物電化學活性及產(chǎn)電性能及較好。⑵不同陽極電位下產(chǎn)電菌附著成膜所需時間、成膜過程及成膜完成后形貌特征、電化學活性及產(chǎn)電性能均有明顯差別。在陽極電位-50 mV、50 mV和150m

6、V(vs. Ag/AgCl)下，產(chǎn)電菌成膜所需的時間分別為35h、45h和47.5h。從數(shù)碼圖像和光學顯微鏡圖像可知，在較高陽極電位下，生物膜附著量較少。此外，不同陽極電位下產(chǎn)電菌附著成膜呈現(xiàn)出差異較大的微觀形貌特征，陽極電位-50 mV下所形成的生物膜疏松多孔，陽極電位50 mV下所形成的生物膜較為密集均勻，陽極電位150 mV下生物膜呈現(xiàn)為較多胞外聚合物與產(chǎn)電菌形成網(wǎng)狀的微觀形貌。隨著啟動過程施加陽極電位的增大，產(chǎn)電菌轉移電子到電極

7、表面所獲得能量增高，電極表面上產(chǎn)電菌的附著成膜過程中轉移電子數(shù)量增加，生物膜在較大電流下形成，其生物電化學活性及產(chǎn)電性能也相應較好。⑶重力驅動式層流型微流體微生物燃料電池啟動時間較短僅為90h，由于入口段效應及陰極液的擴散混合沿流動方向不斷增強，陽極生物膜附著量沿電極液流動方向遞減。啟動完成后，測試了電池在不同外阻、溫度和底物間斷供給條件下的電壓響應，實驗結果表明該電池在這幾種條件下電壓響應較為迅速，而且輸出電壓穩(wěn)定。該層流型微流體微生