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1、第27卷第4期环境化学Vo.l27,No.42008年7月ENVIRONMENTALCHEMISTRYJuly2008*微生物燃料电池运行条件的优化**王万成陶冠红(苏州大学化学化工学院,苏州,215123)摘要以葡萄糖为燃料,构建了微生物燃料电池,分别考察了离子交换膜种类(以及没有)、电极材料、电极间距、溶液离子强度(以及添加铁氰化钾)对微生物燃料电池性能的影响,结果表明:使用均相阳离子交换膜、未抛光的高纯石墨板、电极间距05cm、添加NaCl溶液和铁氰化钾将产生最大的功率密度,优化了微生物燃料电池的运行条件
2、.关键词微生物燃料电池,优化.微生物燃料电池是指借助微生物的催化作用直接将燃料(如有机酸、糖类等)的化学能转换为电能[1]的装置,生活和工业污水中含有的丰富的有机物可作为其燃料来源,从中直接获取电能.影响微生物燃料电池性能的因素主要有:微生物种类、化学底物、离子交换膜的种类(或者没有)、电池内阻、[2]溶液离子强度、电极材料以及电极间距等.本文考察了离子交换膜种类(以及没有)、电极材料、电极间距、溶液离子强度(以及添加铁氰化钾)等多种因素对微生物燃料电池性能的影响,优化了微生物燃料电池的运行条件.1实验方法微生物燃料电
3、池(Microbialfuelcells,MFC)阴、阳两极室的容积均为300m,l在两极室之间安2装一片事先于2%(W/V)NaCl溶液中浸泡24h的离子交换膜(面积为313cm),离子交换膜的两边分别放置阳极和阴极,阳极室上部密封(留一个取样口,兼作出气口),阴极室则暴露于空气中.外电路负载一个可调式电阻,用万用表测量其电阻值与电压值.取某啤酒厂污水处理的厌氧污泥,在实验室中用葡萄糖模拟废水驯化,取25ml驯化后的污泥接-1种,COD在5000mgl左右,1L营养液中含有469g葡萄糖、048g氯化铵、011g磷酸二
4、氢钾及-1其它微量元素(10ml),用碳酸氢钠调节pH值在7左右,并添加100mmoll的磷酸盐缓冲溶液.当输出电压很低时,将阳极室中的溶液离心,弃去上清液(上清液用于测定COD,重铬酸钾法(GB11914-89)),添加新的营养液和磷酸盐缓冲溶液,间歇运行,电池外阻固定于500.2离子交换膜对微生物燃料电池性能的影响分别用黑色的均相阳离子交换膜、黄色的异相阳离子交换膜和绿色的异相阴离子交换膜以及未抛光的高纯石墨板(74cm71cm)为电极.研究不同离子交换膜的微生物燃料电池的产电情况(见图1).从图1可以看出,达到稳
5、定状态后,使用均相阳离子交换膜的微生物燃料电池所产生的稳定-2-2功率最大,为71mWm,其次是异相阳离子交换膜,为46mWm,而异相阴离子交换膜只-2[3]有35mWm,这与Kim等使用阴离子交换膜产生的功率密度最大的结论并不吻合,这可能与++所使用的膜的性质不同有关:他们的研究中使用的阴离子交换膜的化学基团为NH3,带NH3基团的阴离子交换膜能够交换磷酸根离子,从而维持阳极室的pH值在7左右,而阳离子交换膜阳极室的pH值都会随着系统的运行逐渐降低,这将导致厌氧污泥活性的降低.在本实验中,我们使用的是+阴离子交换膜,
6、其化学基团为CH2N(CH3)3.阴离子交换膜对磷酸根离子的交换能力相对较弱,且不具备交换阳离子的能力,因而实验结果表现不如阳离子交换膜.我们还研究了用盐桥代替离子交换膜构建的微生物燃料电池的产电情况,虽然使用盐桥能够产生2007年9月26日收稿.*国家自然科学基金(No.20575043).**通讯联系人,电话:013092614400;Emai:ltaogh@sudaeducn528环境化学27卷[4]-2比较高的功率(50mWm),但是随着实验的运行,盐桥的内阻不断增加,使得产电功率达到峰值以后
7、又迅速下降,产电情况极不稳定.图1不同离子交换膜的微生物燃料电池的产电情况(A)均相阳离子交换膜,(B)异相阳离子交换膜,(C)异相阴离子交换膜Fig1PowergenerationinaMFCwithdifferentionexchangemembranes3电极材料对微生物燃料电池性能的影响分别使用未抛光的高纯石墨板、碳纤维毡、泡沫镍、不锈钢网和钛网作为阳极材料,未抛光的高纯石墨板为阴极材料(电极均裁剪成74cm71cm),均相阳离子交换膜构成的微生物燃料电池,-2图2(左)是它们的产电情况:未抛光的高纯石墨板
8、为阳极产生的功率密度(71mWm)最大,其-2-2次为碳纤维毡(66mWm),仅比未抛光的高纯石墨板小7%,泡沫镍为35mWm,而不锈[6]钢网和钛网由于它们的网状结构,使得微生物在其表面很难附着,而经证实主
