輥壓法制單室空氣陰極MFC性能的影響因素

郭加 王國文

摘要：為了確定輥壓活性炭來制作空氣陰極MFC，替代傳統處理方法的可行性。通過以水或酒精為分散劑，把活性炭輥壓到碳鋼網上而制作的陰極材料。以厭氧活性污泥為菌源，醋酸鈉為底物，觀察在不同條件下運行的反應器工作情況，觀察運行狀況和影響因素。實驗結果表明，影響空氣陰極微生物燃料電池（MFC）的主要因素有溫度、初始COD濃度、運行時間等。在30℃下，COD約為1g/L條件下，能夠高于80%的COD去除率。

關鍵詞：微生物燃料電池；空氣陰極；活性炭；產電性能

Influence factors of electric power generation performance of air cathode MFC by roller press method

Abstract：In order to determine the feasibility of rolling activated carbon to produce air cathode MFC instead of traditional treatment method， the cathode material was produced by rolling activated carbon onto carbon steel net with water or alcohol as dispersant. Anaerobic activated sludge was used as bacteria source and sodium acetate was used as substrate to observe the operation of the reactor under different conditions， and to observe the operation status and influencing factors. The experimental results show that the main factors affecting the air cathode microbial fuel cell （ MFC ） are temperature， initial cod concentration， operation time and so on. At 30 ℃， cod is about 1 g / l， cod removal rate can be higher than 80 %

Key words：microbial fuel cells； air cathode； activated carbon； power generation

微生物燃料電池是將生物能轉化成電能的一種裝置，它是利用微生物代謝活動來實現的。它運用的電解液來源廣，大部分在常溫常壓下運行，同時能夠高效轉化，亦符合清潔生產原則。因而在生物能轉化利用中具有巨大潛力。尤其在當前石油資源緊張時，更有不可估量的意義[1]。

與其他形式生物能源相比，微生物燃料電池可以直接利用城市和工業廢水的有機物質來發電[2]。其基本工作原理可以用氧化還原反應來解釋[3]，D.H.Park和J.G. Zeikus[4]設計開發了單室微生物燃料電池。在厭氧條件下，有機物被陽極生物膜上微生物催化氧化；釋放電子，通過外部流動，到達陰極還原氧氣。

對于MFC而言，陽極表面具備電活性的細菌形成的生物膜在很大程度上影響系統的性能。同時，陰極反應被認為是限制MFC性能的一個重要因素，受到了廣泛的關注[7]。自動吸取氧氣的空氣陰極，使微生物燃料電池的內阻較低，能達到更大的功率密度。本研究以實驗室培養的厭氧活性污泥為菌源，醋酸鈉與緩沖液為底物，模擬在不同運行條件下反應器工作情況，為利用廢水來進行生物發電。

一、實驗

（一）空氣陰極制作方法的實驗試劑及儀器

儀器：分析天平，超聲清洗機，恒溫水浴鍋，電動攪拌器，輥壓機，電阻爐，CHI-660型電化學工作站，Ag/AgCl參比電極。

試劑：無水乙醇，去離子水，美國CABOT導電炭黑，PTFE乳液，活性炭，碳鋼網。微量金屬元素和PBS溶液。

（二）陰極的制作方法

陰極制作需要完成三個步驟，制作擴散膜并輥壓在碳鋼網上；制作催化膜；將催化膜輥壓到碳鋼網上。

制作擴散膜：把1.5g導電炭黑粉末完全浸沒在足量的無水乙醇燒杯中，放進超聲清洗機，溫控30℃超聲分散，電動攪拌形成膠體。15分鐘后，加入2.5ml的60%聚四氟乙烯乳液，再超聲攪拌混合均勻。水浴條件下，烘干形成橡皮泥狀物輥壓。制成擴散膜（0.5mm）。

制作催化膜：用同樣的方法和步驟，把1.5g的活性炭粉末和60%的聚四氟乙烯乳液2.5ml，制成厚度為0.5 mm的催化膜。

制作陰極：將輥壓好的氣體擴散膜撕成若干小塊，均勻地鋪在10*10cm2的碳鋼網上，放入輥壓機中輥壓成薄膜狀，放入電阻箱中，在340℃下恒溫燒結冷卻，催化膜按相同方法處理，完成空氣陰極的制備[8-9]。

（三）實驗條件和測定方法

實驗的裝置：本項目采用立方體式單室（MFC）反應器。其內部腔體容積28 mL，陰陽兩極橫截面積都是7cm2且保持平行，與鈦片接觸用于電子的傳輸。兩鈦片之間通過導線和外部負載相連（本實驗采用B-102，115c型的電阻，電阻大小1KΩ），構成電流回路。

實驗的測定：MFC的輸出電壓通過DINs-800采集系統實時監測和記錄。COD的測定采用國標，用比色法-重鉻酸鉀的顏色變化來測定[10]。平均電流I由一定時間內收獲電量得出，功率密度P = IU /A，其中A是陽極面積.。實驗的效果可以通過庫倫效率來反應，即實際產電與理論產電之比來確定該反應器的產電效率。收獲的電量由DINs-800采集系統測出，即該段時間起止顯示的電荷數之差；qt是從理論上計算可以得到最多的電量，在運行一個周期前后分別測定COD。

該運算過程中的ΔCOD是試驗前后底物中COD的變化， V是該空氣陰極MFC反應器容積。

二、結果與討論

（一）溫度對MFC的影響

以COD為1g/L的醋酸鈉及PBS溶液加入底物，在穩定酸堿環境（PH=5.8～6.8）下，分別在25℃、30℃、35℃等三個溫度條件下啟動并運行，研究溫度對電池性能的影響[11]，結果如圖1

如圖1，25℃、30℃、35℃條件下MFC的運行的變化情況。由圖清楚看出：

啟動成功后，三種溫度的電壓都接近100mV，而在25℃的狀況下電壓首先出現下降情況，說明25℃下啟動所需的營養物質（主要為碳源、氮源）更多，說明在生物膜形成階段，25℃下微生物生長條件較好，產生雜菌較多。

產電過程中會達到較高電壓時會出現短暫的下降，說明反應器主體反應是直接消耗底物。醋酸鈉等作為底物分解會產生過渡產物，繼續分解會促進微生物新陳代謝，有利于微生物產電達到峰值后一段時間內保持穩定。

25℃情況下出現的電壓先減小后增大的情況沒有30℃、35℃明顯，說明不同溫度下產電菌的種類分布也不盡相同。

35℃下可達到的最高電壓比25℃、35℃的最高電壓高，但運行周期短，電壓不穩定，作為直流電很難使用電器正常工作。通過發現30℃產生的最高電壓較大，大約400mv，是產電菌較適宜的生存環境。

反應器正常工作狀態下，調節外接變阻，從100Ω漸變到1000Ω，繪出功率密度隨外接電阻值變化的曲線，如圖2。

在系統正常工作時，當外接電阻600Ω，三種溫度的功率密度值都達到了峰值。說明溫度改變反應器內阻不明顯，內阻均接近600Ω。30℃時，MFCs的功率密度為1620mW/m2，而25℃時值為974mW/m2，35℃時的值為1170mW/m2。25℃的功率密度較30℃、35℃低，35℃時功率密度也不如30℃條件下的功率密度，充分說明在其它條件不變的情況下存在峰值。

MFCs系統啟動完成后，運行一個周期后COD降解效率和庫侖效率[12]如圖3所示。

溫度對MFCs陽極液COD的降解效率會產生影響，25℃時COD的降解率為72%；升高溫度，會看到降解率逐漸增大，當到達30℃時，降解率為80%，若繼續升高溫度，達到35℃時，降解率逐漸下降到73%。這種降解率的變化，正好和庫倫效率的變化是一致的，溫度在30℃時，產電性能和去污能力都是最好的。

（二）觀察底物濃度對MFC性能的影響

本實驗選用CH3COONa作為MFCs 陽極底物，分別選取濃度為0.5g/L、1.0g/L、2g/L作為電池的陽極的底物，其電壓隨時間變化曲線如圖4。

（外阻 R=1000Ω，運行溫度 T=30℃）

如圖4，當啟動MFC 成功后，濃度為0.5g/L、1.0g/L、2g/L的底物， 產生電壓的軌跡清楚可見，很有規律性，循環周期清楚明了。圖上可以看出它們循環周期的大致時間，分別是42h、55h、65h 左右。

0.5g/L雖然循環時間較短，但循環性很差；濃度為2g/L循環性較好，但循環時間較長，適宜生產生活廢水的處理，同時也有利于MFCs的連續產電。濃度為1.0g/L的底物，運行周期雖略長于0.5g/L一些，但循環時間適宜。在電壓下降到50mV左右，通過更換底物再次重復，顯示良好的循環性。適當的運行周期下，對陽極的性能研究有益。

（三）底物變化及與生物膜替換對產電影響

由于產電微生物之間存在著互作機制現象，底泥和形成的生物膜的作用會對產電效果形成影響。為了研究混合菌產電機制提供模型依據，通過更換底物和陽極底泥以及更換底泥后形成生物膜后的產電情況進行比較[13]。在15℃下當將運行了48h的電極液換為葡萄糖后，每12h監測一次電壓，得出如下結果。

當將運行了48h的電極液換為乙酸鈉后，產電24 h 內并沒有達到一個較高的水平，僅達之前的60%左右，那么可以排除溫度、基質的原因，因為根據文獻以葡萄糖為基質最終乙酸是最好的產電物質[14]，而且最大電壓較高，則可以推測陽極液中存在的電子介體可以很好地提高生物膜與電極之間的電子傳遞效率。

由圖6表明，通過清除底泥，發現它對產電能力的影響不大，更換湖水底泥，產電能力和從前沒有什么大不同，這說明陽極液中的微生物和電子不會直接參與產電過程。更換新的生物膜，產電能力會大不同[15]，這說明生物膜是產電的關鍵，而陽極液中的生物沒有直接的產電能力。

結論

1.以水或酒精為分散劑來處理輥壓活性炭-碳鋼網空氣陰極，運行時間短，最大功率密度高。相比酒精為分散劑在實際的應用，為去除難降解有機物提供了一種更高效可行的方法。

2.不斷升高溫度污水處理量會提高；電壓值和功率密度、去除效率等會先增大再減小。在30℃時該MFCs系統的產電性能接近最大。當MFC 啟動成功后，底物濃度為1.0g/L 運行的MFC電壓變化曲線具有很好的規律性和重復性。底物濃度過高時，會延長循環時間，對實驗研究有一定影響。

3.單室空氣MFC的陽極生物膜上形成促進電子傳遞的介體，因此在更換底物的基礎上可以維持反應器高效運行。

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