高效双室微生物燃料电池的运行特性

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1、高效双室微生物燃料电池的运行特性    张永娟 姜 颖  焦安英   李 龙   刘 琨   徐菁利   李永峰     1 上海工程技术大学化工学院 （上海201620）2东北林业大学林学院 （哈尔滨150040）    摘 要 微生物燃料电池（MFC）在产生电流的同时还能处理糖蜜废水和电镀废水，并能从电镀废水中回收金属单质。本实验确定了电镀废水阴极液对双室微生物燃料电池产电性能的影响，阴极液分别采用银离子、铜离子和锌离子溶液作为MFC 的阴极液，其初始浓度均配成 1 000 mg/L。结果表明，锌离子作为阴极时 MFC 的产能效果最不理想，功率密

2、度仅为1.9×10- 6mW/m2。阴极为铜离子溶液时，可以获得相对大一些的功率密度（13.9 mW/m2）。产能效果最好的是银离子阴极 MFC，在电流密度为 82.7 mA/m2其获得最大功率密度为23.1 mW/m2，COD 去除率为 71%，且其重金属去除率最大（72%），远远高于锌离子和铜离子。研究表明，重金属离子可以作为微生物燃料电池的阴极电子受体，MFC 可以将有机废水中的化学能直接转化为电能，同时将重金属还原，具有显著的环境效益和经济效益。    关键词 微生物燃料电池 糖蜜废水 电镀废水 阴极电子受体 功率密度COD 去除率    中

3、图分类号 TM911.45    0 引言    微生物燃料电池（简称 MFC）是利用微生物的催化作用,将燃料（有机物质）的化学能直接转化为电能的一种生物电化学装置。MFC 可以在氧化有机物的同时产电,尤其适用于废水处理领域。在环境污染日益加剧和能源紧张的今天，MFC 正在引起世界范围内研究人员的广泛关注。    近些年，Bond 等发现在海底的沉积物中存在一种细菌可不需要电子转移中介体直接氧化有机物，如果利用导线将电子导出，可以获得连续的电流，此外，人们发现微生物可以自身产生一些转移电子传递体来促进电子向电极表面的转移, 如 Shew anella

4、put refaciens，Pseudomonas aeruginosa，这样就不需要在微生物燃料电池中投加一些具有低电位的物质作为微生物传递电子的中介体。Liu 等提出的单极室空气阴极型 MFC, 直接将阴极暴露在空气中；He等构建了升流式 MFC；Logan 等采用石墨纤维束阳极构建的 MFC；曹效鑫等提出了一种将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的“三合一”膜电极形式的MFC。    目前，MFC 的阴极电子受体主要分为液相阴极和空气阴极两种类型。液相阴极 MFC的阴极反应在溶液中进行，传质和反应阻力小，所以这种形式的电池通常可得到较高的功率输出

5、率，但最大缺点是需要不断地向阴极补充电解液，而且阴极产物可能带来二次污染。阴极的反应特性是限制 MFC整体功率输出，为了提高 MFC 的功率输出和整体效能，需要采取一定的措施尽可能地降低阴极的某一种、两种或三种损失；另外，限制MFC 工程化和商业化应用的因素除了阴极的性能有待提高以外，更重要的是催化剂的造价过于昂贵，大大增加了 MFC 的基建投资。针对以上电池缺陷,本实验使用电镀废水作阴极电解液，不但省去阴极液的耗材，还能处理废水并着重回收重金属单质进行废物再利用。    1试验装置与方法    1.1 双室 MFC 的基本结构    双室微生物燃料

6、电池基本装置如图 1 所示。本试验电池阳极室和阴极室均为有机玻璃制成的圆柱形，单个极室的内径为 10 cm，高为 10 cm，有效容积均为600 mL。两个极室用一个有机玻璃的圆形管（内径为 8 cm）连接，中间由质子交换膜（PEM）隔开，既可以将氧气与细菌分开，又不影响质子的传递。阳极室为密封厌氧，上端设有取样口，且用磁力加热搅拌器对阳极室内的混合液进行连续搅拌，以保证营养物质和厌氧污泥中的微生物充分混合。阳极和阴极分别置于两极室中，两极间用铜导线连接，并接入负载电阻。         2 结果与讨论    2.1 不同阴极电子受体的电池产电性能研

7、究    2.1.1输出电压特点    为了便于确定电镀废水作为 MFC 阴极的可行性及其对电池性能的影响，采用单一的重金属离子溶液进行对比分析，实验以银离子、铜离子、锌离子作为电子受体，其输出电压随时间的变化如图 2 所示。         采用双室型 MFC，3 种不同阴极电子受体的运行均非常稳定。由图 2 可知，以锌离子为 MFC 阴极液时，电池的电压输出一直很低，最大输出电压只能达到 16 mV，电池的运行周期短，且稳定运行的持续时间也很短，不足 140 h。在相同的操作条件下，银离子作为 MFC 的阴极液时，启动很快完成，输出电压也较高，达

8、到稳定期的输出电压 198 mV，约为锌离子的 12 倍。铜离子作 MFC 的阴极液的启动时间最长，但达到稳