锂电池与微生物燃料电池 ● 微生物燃料电池不同阳极底物产电性能研究

通过比较相同COD 浓度下3种不同阳极底物：象草秸秆水解液、葡萄糖模拟废水、葡萄糖与象草秸秆水解产物共基质溶液，研究不同阳极底物对MFC 的产电电压、产电时间、功率密度、内阻、库伦效率及底物的COD 去除率的影响。研究发现，葡萄糖和象草秸秆水解产物共基质溶液作为MFC 阳极底物时可获得较高电压，且稳定产电的时间较长；获得的最大功率密度为380. 63mW/m2；具有最小的内阻155. 97Ω；库伦效率为22. 64%；底物的COD去除率为83. 2%，可作为MFC阳极底物。

 

 

 

在微生物燃料电池（microbial fuel cells，MFC）中，阳极底物基质是影响微生物燃料电池产电性能的重要因素。目前研究重点是将微生物燃料电池与废水处理有机结合，将微生物代谢有机废水的生物能转化为电能。用于MFC 的有机废水包括生活污水、酿制废水、屠宰废水、养猪废水、黄姜废水、制药废水、食品废水等，不同废水水质差异较大，对MFC 产电性能和降解污染物效率影响较大。阳极底物直接影响MFC电极生物膜上的微生物，进而影响MFC的产能效率，底物的特性和其中能够转换为能源的物质的含量对MFC的发展尤为重要。

 

象草秸秆水解后水解液中含有丰富的还原糖，能够被产电微生物所利用。为了了解象草秸秆水解液在MFC 中的产电性能，配制相同COD 浓度的葡萄糖模拟废水和葡萄糖与象草秸秆水解产物共基质溶液，通过使用3种不同阳极底物，研究象草秸秆水解液的产电可行性，并将其产电特性与葡萄糖作对比分析，考察不同阳极底物对MFC的产电电压、内阻、输出功率、库伦效率以及COD去除率的影响。

 

1 象草秸秆水解液的制备

 

象草属于多年生的草本植物，根系比较发达，根须能够强大伸展到土层中的40 cm左右，甚至到达4 m 左右，植株也很高大，约为2～4 m，最高的植株可以达到5 m。多生长于温暖湿润气候，适应性很强，作为一种高能源密度物质，是一种很好的牧草饲用植物，可用于养殖牧草和饲料加工。现在，象草已作为一种能源物质，用于造纸、食用菌栽培、燃料发电、提取蛋白质等。

 

象草秸秆用硫酸水解，将象草秸秆粉碎，筛选出粒径为20～40 目的颗粒［1］，置于干燥器中备用。按照固液质量比（1∶9）加入到50%的浓硫酸溶液中，50 ℃恒温水浴条件下水解60 min，然后稀释水解液并用NaOH 中和，抽滤去除残渣，得到象草秸秆水解液。测得水解液中葡萄糖的含量为4. 6 g/L。HERRERA 等［2］研究了纤维素的稀盐酸水解工艺，酸浓度为2%～6%，反应温度为100℃，当盐酸浓度为2%、4%和6%，反应时间为5、5、3 h 时，木糖的最大得率分别为17. 3、19. 9 和19. 7g/L。木糖得率最大时，葡萄糖得率分别为3. 8、5. 1和5. 3 g/L。本实验所得的葡萄糖含量与其基本一致。

 

2 不同阳极底物MFC 的启动

 

以厌氧污泥为产电菌来源，用COD 浓度为1 000 mg/L 的葡萄糖模拟废水将其在回旋式气浴恒温振荡器中培养7 d，恢复污泥活性并富集菌种。待驯化完成后，在阳极室均加入100 mL 污泥［3］。由于象草水解液中还原糖含量较高，将其COD 浓度稀释到1 000 mg/L，同时配置COD 浓度为1 000 mg/L 葡萄糖模拟废水。以高锰酸钾为阴极电子受体，阳极依次加入葡萄糖模拟废水、葡萄糖和象草秸秆水解产物共基质溶液以及纯象草秸秆水解液。阴极室加入1L 浓度为50 mmol/L 的KMnO4 溶液作为电子受体。为维持MFC 中稳定的pH，减小内阻，所有进水中均添加50 mmol/L 的缓冲溶液和相应的微量金属离子溶液。整个产电过程中阳极室保持厌氧，外接电阻保持1 000 Ω［3］，用数字万用表记录不同阳极底物的产电情况，以此来分析不同底物对MFC 产电性能的影响。当产电电压低于50 mV 时，产电周期结束。

 

3 不同阳极底物MFC 的产电电压比较

 

图1为不同阳极底物对应的电压输出情况。

 

 

如图1 所示，3 种不同阳极底物均有较高的起始电压，约为900 mV，2 d 后，产电趋于稳定，12 d 后，产电开始下降。这可能是由于刚加入燃料时，有机物充足，微生物降解速率快，电压迅速上升至最大值，达到最大值后输出电压逐步稳定，随着有机物的消耗，电压慢慢下降。其中，葡萄糖模拟废水能在最短时间获得最高电压，在实验第5 天获得其最高电压为1 065 mV。到12 d 时，产电电压开始出现下降，第20天左右时，产电电压低于50 mV，产电结束，稳定产电的时间约为10 d左右，整个产电周期约为20 d；葡萄糖和象草秸秆水解产物共基质溶液在产电的第7 d 获得最高电压，其值为1 035 mV，到第17天电压开始下降，到第24天产电结束，稳定产电的时间约为15 d，整个周期持续24 d左右；秸秆水解液在第6 天获得其最高电压，为956 mV，相比较葡萄糖模拟废水和两者的混合液，其最高电压较低。秸秆水解液在获得其最高电压后，电压下降幅度较小。21 d时电压出现大幅下降，到第30天左右时产电结束，整个产电时间维持约30 d左右。

 

通过比较3 种不同底物的产电趋势，可以发现：当底物为葡萄糖模拟废水时，产电时间偏短，稳定时间不长；葡萄糖与水解液的混合液为底物时可获得较高电压，且稳定产电的时间较长；而以纯水解液为底物时，虽然产电时间较长，但获得的电压较低，而且稳定产电的时间较短。这是由于葡萄糖属于单糖，易被微生物所分解利用，故能在较快时间获得最高电压，但是被利用速度过快，导致产电周期较短。在以两者混合为底物时，微生物利用葡萄糖的同时可以将木糖等多糖类先降解为单糖，在产电后期可以较好的利用，这样既能获得较高电压又能使稳定的产电时间增加。以纯水解液为底物时，在产电前期微生物不能获得足够营养物质，木糖等糖类被利用缓慢，不利于微生物的生长，获得电压较低。由此可见，混合基质对于产电效率有一定的提高。                              

 

4 不同阳极底物MFC 功率密度和极化曲线

 

在3 组装置产电稳定后，断开外电路，此时电路中没有电流，因此功率密度为零，获得的开路电压分别为1 321、1 246、1 160 mV。依次将外电阻按照阻值从高到低的顺序连接到电路中，阻值由3 000 Ω到100 Ω变化，测量不同电阻时的外电路电压，计算得出电流，根据公式PA =UI/A 可以得到功率密度［4］，并分析不同基质浓度下的内阻，得到极化曲线（见图2）。

 

 

如图2 所示，3 种底物的外电路输出功率密度随着电流的增加而增加，当电流达到一定值（约为3. 5 mA）后功率密度开始下降，原因是电池内部极化作用，外接电阻过小时，内阻消耗燃料电池大部分功率，当外接电阻大于内阻并逐渐增加时，电流减小，导致功率密度减少，在外阻等于内阻时可获得最大的功率密度。本实验中葡萄糖模拟废水作为阳极底物时获得的最大功率密度为357. 01 mW/m2。尤世界等［5］以葡萄糖作底物获得最大功率密度为192. 104 mW/m2。与其研究相比，本实验获得了更高的功率密度，表明实验装置产电性能良好。葡萄糖和象草秸秆水解产物共基质溶液为底物时，获得的最大功率密度为380. 63 mW/m2，而以纯水解液作为阳极底物时获得的最大功率密度为298. 38 mW/m2。可见，以葡萄糖和象草秸秆水解产物共基质溶液为底物时获得的功率密度最大，葡萄糖模拟废水次之，纯水解液最少。这与底物性质有关，虽然水解液中的多糖等物质不能直接被利用，但是降解后的单糖等小分子物质可以被利用。另外，不同底物的内阻也有一定影响。