陰極液組分對秸稈水解液產電性能的影響

王美聰王紫諾張學軍(沈陽化工大學，遼寧沈陽110142)

0 引言

我國是秸稈大國，其中玉米秸稈年產量2.2億噸[1]。每年都有大量秸稈遭到焚燒，因此如何開發利用玉米秸稈，實現玉米秸稈的生態高值利用，將其變廢為寶至關重要。微生物燃料電池(MFC)是一種新興的綠色可再生能源，能解決能源短缺與環境保護的重要技術[2]。將二者結合以此得到環保和經濟的雙收益顯得尤為重要。因此本文探討以秸稈水解液為陽極液時，哪種組分的陰極液能盡可能的提高其產電性能。

1 實驗材料與方法

1.1 陽極液的配制

在實驗開始前配置濃度1%的稀硫酸備用；將烘干好的玉米秸稈粉碎，并篩分20～40目的粒度以供使用；選擇液固比為15:1，將玉米秸稈顆粒溶于配制好的稀硫酸內，攪拌溶解后將放于80℃水浴鍋中反應2h，獲得酸性物質；再用1%NaOH 溶液進行中和，獲得質量分數為15g/L玉米秸稈水解液，其pH 值范圍在7.0～7.2。

陽極液是秸稈水解液和微生物馴化液的混合液，產電微生物是實驗組之前用的活性污泥，陽極液的pH 值調節范圍為7.0～7.2。

1.2 陰極液的配制

三組實驗的陰極液分別是25mM 鐵氰化鉀溶液、1:1 的25mM鐵氰化鉀與0.1mol/L 氯化鈉混合溶液、0.1mol/L 氯化鈉溶液。

1.3 MFC系統構建

采用雙室型MFC，以活性污泥為菌種，連通電路后電池正式開始運行，在電腦端用數據采集卡記錄電壓情況，外接電阻為100Ω。實驗中為室溫。

1.4 MFC的測量方法

實驗平穩運行后，采用外阻遞減法[3]測量MFC的極化曲線。首先將外電路斷開開始記錄OCV，然后依次調節電阻箱的阻值(9000～100Ω)，記錄下隨電阻變化的電壓值，每組數據的穩定時間為20分鐘左右。通過電化學工作站測得阻抗譜圖。

極化曲線是電流密度與電壓形成的曲線。通過擬合極化曲線獲得曲線方程，方程的斜率即為內阻。功率密度的計算公式是：P=U2/RA，其中A 為陽極的有效面積。內阻的計算公式是：PMax=E2/4r(P為功率，E 為電勢，r 為電池內阻)。

2 結果與討論

2.1 不同濃度的陽極液的MFC產電量

陰極液對微生物燃料電池的性能有較大影響[4]，如圖1，在2000m in 左右電池啟動結束，2000min 至4450m in 之間，陰極液為鐵氰化鉀溶液時產電量最大為38mV，與其自身快速接受電子的能力有關。但在4450min 后，以鐵氰化鉀和氯化鈉混合溶液為陰極液時，其產電量最大為42mV，說明氯化鈉溶液的良好導電性結合鐵氰化鉀溶液較強的電子接受能力，使產電效果更好。以氯化鈉為陰極液時最大電壓為14mV，其產電效果較差，分析可能的原因：濃度過小，使其導電性較低。7000min 后產電量均呈下降趨勢。

圖1不同陰極液的MFC輸出電壓

2.2 MFC功率密度及內阻分析

如圖2不同陰極液組分的秸稈水解液MFC 的功率密度有明顯的差異。當陰極液組分為氯化鈉溶液時最大功率密度為0.002W/m2，電流密度為0.018A/m2；當陰極液組分為混合溶液時最大功率密度為0.013W/m2，電流密度為0.058A/m2，可知其產電量最大，但影響功率密度的因素較為復雜，其中受到內阻的影響也較大，可能因其生物膜較厚，不易電子傳遞，導致內阻增加。從而使功率密度下降[5]。當陰極液組分為鐵氰化鉀溶液時最大功率密度為0.023W/m2，電流密度為0.077A/m2。由此可看出當陰極液為鐵氰化鉀溶液時MFC功率密度較大。

圖2不同陰極液組分的MFC功率密度

如圖3根據全電路Ohm 定律可知：電池的內阻是直線的斜率絕對值。陰極液組分為氯化鈉溶液、氯化鈉與鐵氰化鉀混合溶液、鐵氰化鉀溶液時，內阻分別為5.4762Ω、3.1409Ω、2.7248Ω。這也說明，內阻和功率密度大小是呈正比的，內阻大小影響著產電效果，內阻的減小有助于產電性能的提升。而鐵氰化鉀在電極表面反應可逆性好，反應速率快，與鐵氰化鉀可以加快傳質過程，降低活化能等有關[6]。

圖3 不同陰極液組分的MFC極化曲線

3 結論

(1)陰極液為氯化鈉和鐵氰化鉀混合溶液時，，產電量最大，為42mv；陰極液為鐵氰化鉀溶液時，最大功率密度為0.023W/m2，電流密度為0.077A/m2。內阻最小，為2.7248Ω。

(2)影響功率密度的因素較為復雜，降低內阻可以提高產電性能。