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1、Vol.30高等学校化学学报No.52009年5月CHEMICALJOURNALOFCHINESEUNIVERSITIES983～987阳极电势对Geobactersulfurreducens产电性能的影响曹效鑫,范明志,梁鹏,黄霞(清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点实验室,北京100084)摘要以产电模式菌Geobactersulfurreducens为研究对象接种两瓶型微生物燃料电池(MFC)阳极室,利用恒电位仪控制阳极电势,考察了7种电势条件下MFC的启动期、最大功率密度和阳极生物量的变
2、化情况.研究结果表明,当阳极电势为-250,-100和50mV(vs.SCE)时,MFC启动较快,CV曲线和极化曲线表明,3在这3种电势条件下,MFC产电性能增强,其中阳极电势为-100mV时,MFC最大功率密度为1167W/m,比固定外阻条件下启动的MFC最大功率密度提高了5倍.控制合适的阳极电势可以使阳极生物量提高215～3倍.关键词微生物燃料电池;Geobactersulfurreducens;阳极电势中图分类号O646.5文献标识码A文章编号025120790(2009)0520983205微生物燃料
3、电池(Microbialfuelcell,MFC)是近年发展起来的一种新型污水处理技术,它能够利用[1～3]微生物的作用,在降解有机污染物的同时回收部分电能,因此受到广泛的关注.从2002年至今,制得的MFC的输出功率密度提高了近千倍,但是输出功率的提高,主要是结构和材料等非生物部分优[4][5][6][7][8,9]化,如阴极的优化(阴极催化剂、电子受体)、中间质子膜的代替、反应器结构和操作条[10,11]件的优化等的贡献,而对于MFC区别于其它燃料电池最核心的阳极,目前还没有有效的强化手段,一般采用自然接
4、种挂膜的方法.在MFC中,产电微生物氧化有机物并传递电子到阳极,阳极既是产电微生物的电子受体又是MFC阴极的电子供体,其电势的高低对于产电微生物的生长代谢和MFC的电能输出具有重要影响,因此电极电势的调控可能成为强化MFC产电性能的一个有效手段.相关研究表明,不同的电极电势会[12,13]改变细胞的表面特性及世代时间等.目前MFC中对于电极电势的作用还不清楚,需要进一步研[14～16]究.在文献[14～16]的研究中均采用混合污泥,因此限制了对于作用机理的解释.本文以产电纯菌Geobactersulfurre
5、ducens接种MFC阳极,设置7种电势梯度,考察了阳极电势对MFC的启动时间、最大输出功率和阳极生物量的影响,研究结果表明存在最佳电势范围,在本实验条件下阳极电势为-100mV时可以有效地提高MFC的产电性能.1实验部分1.1实验装置和过程采用两瓶型MFC(图1),阳极室和阴极室为侧壁开口的广口玻璃瓶,容积为300mL.两瓶侧壁过水口长度约为3cm,口径2cm,分别与法兰连接后,将阳离子交换膜(CMI27000,MembranesInterna22tional,Inc.,USA)固定在两块法兰中间以分隔阳极
6、室和阴极室.阳离子交换膜的有效面积为311cm,使用前用011mol/LHCl溶液浸泡1h,然后用无菌去离子水清洗干净.阳极室和阴极室用橡胶塞密封,橡胶塞上有4个孔,分别用于放置饱和甘汞参比电极(SCE,+01242Vvs.标准氢电极,如无特别说明,以下所有电势数据均相对于本甘汞电极)、石墨杆(直径5mm,三业碳素有限公司,北京)、进收稿日期:2008207224.基金项目:国家“八六三”计划(批准号:2006AA062329)和国际科技合作项目(批准号:2006DFA91120)资助.联系人简介:黄霞,女,
7、博士,教授,主要从事污水生化处理研究.E2mail:xhuang@tsinghua.edu.cn©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net984高等学校化学学报Vol.30水管和出水管.阳极和阴极材料均为碳毡(孔隙率约为95%,孔径50～200μm,三业碳素有限公司,北京).使用前,先将碳毡切成相同尺寸(2cm×2cm,厚度1cm),在1mol/LHCl溶液中浸泡1h
8、,然后用去离子水清洗干净.MFC各组件经灭菌后在超净台组装.阳极室以Geobactersulfurreducens接种,菌种购自德国菌种保藏中心(DSMZ),以NaAc(1164g/L)8为基质严格厌氧培养至菌浓度约为10个/mL.阳极液为PBS缓冲体系,其成分为414g/LKH2PO4;Scheme1“H”typedMFCsusedintheexperiment314g/LK2HPO4;015g/
