微生物燃料電池陰陽極修飾耦合作用及其處理畜禽廢水產(chǎn)電特性研究.pdf

1、可再生能源的開發(fā)和環(huán)境污染的治理是當今世界實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展所面臨的主要問題。畜禽廢水作為一種典型的高濃度有機廢水，已成為繼工業(yè)污染、生活污染之后的第三大污染源。微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用電化學活性微生物的催化作用將有機物中所含的化學能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、反應條件溫和、清潔無污染等優(yōu)勢。該技術獨特的產(chǎn)能方式使得其能夠在處理有機廢棄物的同時轉(zhuǎn)化其中所含的化學能為電能，從而為解決

2、能源危機問題以及環(huán)境污染問題提供新的思路，實現(xiàn)雙贏的局面。
　　 當前MFC的研究尚處于起步階段，這項技術的發(fā)展仍然面臨許多挑戰(zhàn)。其中，較低的功率輸出是限制該技術商業(yè)化和工程實際應用的主要障礙。如何通過對陰陽極材料修飾改性來降低陰陽極電極過電勢，進一步優(yōu)化提高MFC的整體產(chǎn)電性能尤顯重要。
　　 本文以單室空氣陰極MFC為基礎，從陰陽極材料修飾改性方面對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能進行優(yōu)化，探討了該技術處理畜禽廢水及其產(chǎn)電性

3、能，并研究了纖維素與畜禽廢水協(xié)同降解產(chǎn)電作用，以期望推動微生物燃料電池技術在廢水處理領域和生物質(zhì)能利用領域的早日應用。
　　 首先考察了畜禽廢水水質(zhì)（COD濃度、pH值、電導率）和外電阻對MFC產(chǎn)電特性和廢水處理效果的影響。MFC輸出電壓隨畜禽廢水濃度的升高不斷增大，運行周期也顯著增加。當COD濃度從1240 mg/L增加到8248 mg/L時，電池最大輸出電壓增加了70 mV，MFC運行周期從17h增加到77 h。MFC功率密

4、度隨pH升高而變大，COD去除效果和庫侖效率都有所提升。當廢水pH值為6.0、8.0、10.0時，COD去除率分別達到64.7％、71.2％、78.6％; pH=10.0時系統(tǒng)最大功率密度比pH=6.0時提升了75.8％，庫侖效率提升了131％。添加電解質(zhì)提高廢水電導率可以提高MFC輸出功率。當添加NaCl濃度從0mM增加到200mM時，MFC最大功率密度提高了1.26倍。外電阻越小，電路中電流越大，COD去除效率越高。短路時MFC處理

5、畜禽廢水效果最好，去除率達到71.5％。
　　 其次對水合肼化學還原修飾碳纖維布陽極的方法進行了優(yōu)化，并與采用硝酸修飾方法處理的陽極進行對比。當使用30％水合肼乙醇溶液修飾陽極時MFC產(chǎn)電效果最佳，反應器啟動時間縮短了30％左右，電池內(nèi)阻從231Ω下降到176Ω，最大功率密度提升了30.7％，庫侖效率提高了24.3％。與未修飾MFC反應器(CM-CA)相比，硝酸修飾陽極MFC(CM-NA)和優(yōu)化后水合肼修飾陽極MFC(CM-HA

6、)的最大功率密度分別提升了24％和19％。分析認為修飾使碳纖維布材料的比表面積增大，反應活性點增多，改變材料表面氮氧官能團，提高了電極的電化學性能，加快了陽極與產(chǎn)電微生物之間的電子傳遞速度從而降低了陽極過電勢，改善MFC的產(chǎn)電性能。陽極生物膜CV測試顯示，修飾后電極上的產(chǎn)電生物膜具有更好的電化學活性。
　　 隨后采用硝酸、水合肼預處理方法修飾的載Pt空氣陰極，修飾后陰極LSV測試顯示電流響應增強，表明對氧的催化還原能力得到提高，

7、加快陰極反應速率，降低了陰極反應過電勢，從而提升MFC產(chǎn)電能力。未修飾MFC反應器(CM-CC/Pt)最大功率密度為655±7 mW/m2，采用硝酸修飾陰極MFC反應器(CM-NA/Pt)和水合肼修飾陰極MFC反應器(CM-HA/Pt)的最大功率密度分別提高了24％和21％。
　　 將修飾改性的陰極和陽極應用于同一MFC反應器中，證明了陰陽極同時修飾方法具有耦合作用，其產(chǎn)電性能相對于陽極或者陰極單獨修飾MFC得到進一步提升。硝酸

8、同時修飾陰陽極NN反應器最大功率密度達到905±15 mW/m2，與未修飾MFC反應器(CC，655±7 mW/m2)相比提升了38％;水合肼同時修飾陰陽極HH反應器最大功率密度也相應提升了31％。陰陽極同時修飾MFC反應器中陽極產(chǎn)電微生物膜電化學活性比電極單獨修飾時更高。陰陽極同時修飾MFC反應器可進一步提高了畜禽廢水的處理效果和產(chǎn)電能力。當pH=10.0時處理畜禽廢水產(chǎn)電效果達到最佳，CC反應器、NN反應器、HH反應器最大功率密度分