以葡萄糖為原料的微生物燃料電池產(chǎn)電特性研究.pdf

1、隨著未來世界能源的持續(xù)緊缺和環(huán)境危機(jī)的日益嚴(yán)重，開發(fā)對(duì)環(huán)境不構(gòu)成污染的新型可再生能源來替代石油、煤等現(xiàn)今主要燃料顯得越來越重要。微生物燃料電池(MFC)作為新型可再生能源中的一種，能在微生物的催化下，直接以各種碳水化合物、復(fù)雜有機(jī)物為底物產(chǎn)電，能量轉(zhuǎn)化效率高；可在偏遠(yuǎn)、低溫環(huán)境下有效運(yùn)行，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；產(chǎn)電過程綠色環(huán)保，至多只產(chǎn)生CO2，且CO2的釋放量低于其他能源形式的平均水平；原料來源廣泛。由于MFC的特殊優(yōu)勢(shì)，使其在替代能源、廢水

2、處理等方面具有巨大應(yīng)用前景，遂成為當(dāng)今一大研究熱點(diǎn)。但在越來越多的學(xué)者參與到該研究領(lǐng)域的同時(shí)，MFC本身發(fā)展也面臨著瓶頸，其瓶頸主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：大部分MFC輸出功率仍然較低且不穩(wěn)定；大部分系統(tǒng)需要添加電子傳遞中間體才能提高產(chǎn)電能力，但是電子傳遞中間體價(jià)格昂貴且有毒，不適應(yīng)發(fā)展需求。為解決上述問題，本文優(yōu)化了MFC運(yùn)行系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)電菌種進(jìn)行了篩選，對(duì)產(chǎn)電電極進(jìn)行了選擇優(yōu)化，馴化了產(chǎn)電微生物以提高其輸出電流、電壓、功率，還分別以酒精酵母與

3、海洋酵母為產(chǎn)電微生物構(gòu)建了直接MFC系統(tǒng)，解決了電子傳遞中間體的污染問題。主要研究結(jié)果如下：
　　 1.運(yùn)行系統(tǒng)的構(gòu)建與優(yōu)化。本論文自行設(shè)計(jì)的雙腔MFC裝置系統(tǒng)陰極、陽極均為未拋光高純石墨電極，該系統(tǒng)以酒精酵母(2.39)為產(chǎn)電微生物，以電池開路電壓值為依據(jù)，對(duì)質(zhì)子交換膜面積、葡萄糖濃度，酒精酵母接種量、陰極電解液濃度、電子傳遞中間體濃度等進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)果確定了以下運(yùn)行系統(tǒng)：質(zhì)子交換膜規(guī)格為5 cm×5 cm的，陽極室中最佳底物

4、添加量為20 ml濃度為0.1 g/ml的葡萄糖溶液，菌種接種量為20 ml濃度為6×1011cells/ml的菌懸液，電子傳遞中間體的添加量為0.5 ml濃度為1％的亞甲基藍(lán)溶液，緩沖液添加量為3 ml濃度0.05g/ml的NaH2PO4溶液；陰極室中電解液的添加量為2 ml0.05 g/ml的K3Fe(CN)6溶液。在此優(yōu)化條件下，得到最大開路電壓為(0.534±0.028)V。
　　 2.菌種篩選與電極選擇。在系統(tǒng)優(yōu)化后條

5、件下，以高純石墨電極為陰極，陽極電極分別以石墨、鋁、銅、鐵片及鐵圈為裝置進(jìn)行開路電壓最大值對(duì)比。分別以酒精酵母2.39，AS2(434)，Y10，Y11(45)，Y20，Y17，2.67等菌株進(jìn)行運(yùn)行，結(jié)果顯示，石墨陽極相對(duì)電化學(xué)活性最低，電極優(yōu)劣依次可以排列為石墨電極<銅電極<鋁電極<鐵片電極<鐵圈電極。2.39的最大開路電壓為鐵圈陽極時(shí)，達(dá)1.241±0.025 V：AS2(434)的最大開路電壓為鐵圈陽極時(shí)，達(dá)0.985±0.01

6、4 v；Y10的最大開路電壓為鐵圈陽極時(shí)，達(dá)1.103±0.011 V；Y11(45)；Y11(45)的最大開路電壓為鐵圈陽極時(shí)，達(dá)1.138±0.016 V；Y20的最大開路電壓為鐵圈陽極時(shí)，達(dá)1.297±0.031 V；Y17的最大開路電壓值為鐵片陽極時(shí)，達(dá)1.151±0.029 V。在鐵圈條件下，2.39與Y20達(dá)到了所有菌種中的開路電壓最大值；Y10在運(yùn)行過程中最快到達(dá)了開路電壓峰值，穩(wěn)定性強(qiáng)，故選擇菌種2.39，Y20和Y10

7、進(jìn)行后續(xù)馴化。
　　 3.菌種馴化。菌種馴化過程為系統(tǒng)運(yùn)行后重新收集、分離、擴(kuò)大培養(yǎng)菌種，同樣條件下再次運(yùn)行產(chǎn)電。馴化采用通路實(shí)驗(yàn)，以石墨為陰極，鐵圈為陽極，在優(yōu)化后系統(tǒng)條件下，串聯(lián)電阻，得到輸出電壓、電流及功率。結(jié)果顯示馴化后不同菌株的產(chǎn)電能力均得到了很大提升，具體結(jié)果如下：
　　 馴化后菌株2.39的輸出電壓峰值為0.392 V，輸出電流峰值達(dá)到了1.1 mA，輸出功率峰值有所提前，達(dá)0.431 mW，提高了其產(chǎn)電能

8、力、穩(wěn)定性及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。菌株Y20馴化后的輸出電壓峰值提高至0.924 V；輸出電流峰值從原來的0.512 mA提高至0.548 mA；輸出功率峰值有所提升(達(dá)0.506 mW)。但產(chǎn)電速度出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，馴化過程提升TY20的產(chǎn)電能力，但產(chǎn)電穩(wěn)定性差異不顯著。菌株Y10馴化后的輸出電壓峰值一躍從0.348 V上升至0.557 V；輸出電流峰值也從開始的0.98 mA大幅提升至1.568 mA；馴化前最大功率值為0.341 mW，馴化

9、后最大值為0.873mW，提升率達(dá)156％。任何時(shí)候馴化后Y10的功率均大幅度高于馴化前。對(duì)菌種Y10的馴化，使其產(chǎn)電能力得到質(zhì)的飛躍，且產(chǎn)電穩(wěn)定性也有了很大提高。
　　 4.直接MFC構(gòu)建。以多次馴化的酒精酵母Y10和海洋酵母Rhodosporidium paludigenum Fell&Tallman為產(chǎn)電微生物，以石墨為陰極，鐵圈為陽極，系統(tǒng)條件不變的情況下，串聯(lián)變阻器，不添加電子傳遞中間體，構(gòu)建直接MFC，產(chǎn)電結(jié)果顯示，

10、多次馴化的Y10 MFC的最大輸出電壓為0.889 V，最大輸出電流為2.2 mA，最大輸出功率達(dá)1.99 mW。海洋酵母Rhodosporidium paludigenumFell&Tallman MFC的最大輸出電壓為0.937 V，輸出電流的最大值為1.4 mA，輸出功率的最大值高達(dá)0.459 mW。
　　 綜上所述，本文以葡萄糖為底物，較為全面地從系統(tǒng)優(yōu)化、菌種篩選、電極選擇、菌種馴化等方面大大提高了MFC的產(chǎn)電能力，一