微生物燃料電池陰極性能強化及傳輸特性研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡稱MFC）是一種可以將廢水中有機物所蘊含的能量進行回收利用的新型可再生能源裝置。它利用陽極室內的產(chǎn)電微生物將廢水中的有機物分解并用于產(chǎn)電，實現(xiàn)了污水處理與產(chǎn)電的相結合，在處理廢水的同時回收了能源，可大大降低污水處理的運行成本，改善傳統(tǒng)的污水處理方式能耗大，成本高，只有投入沒有產(chǎn)出的缺點。
　　 然而目前MFC 產(chǎn)電性能不高，比化學燃料電池低1-2個數(shù)量級，其中很重要的一個

2、原因就是陰極側的電子受體的活化損失。目前MFC 陰極電子受體采用的主要是氧氣，氧氣雖然具有氧化還原電位高，來源廣泛等優(yōu)點，但其活化能壁壘高，在碳電極上不容易發(fā)生反應，活化損失現(xiàn)象嚴重，使得MFC 性能無法得到進一步提高。為此，很多研究者提出了應用可溶性的電子受體（如鐵氰酸鉀等）以提高MFC的性能，但目前絕大部分可溶性電子受體都不能解決再生或再生效率低下及能耗高的問題，從而大大制約了MFC的實際應用。
　　 針對上述問題，本文提出

3、兩種新型的可溶性電子受體：過硫酸鉀（K2S2O8）及多碘離子（I3-），并將其應用于MFC，在一定程度上提高了MFC 性能。其中，以過硫酸鉀為陰極電子受體的MFC 實現(xiàn)了陰陽極同時處理不同類型廢水的功能；以I3-為電子受體的MFC 陰極體系可以在太陽光下循環(huán)再生。主要研究成果如下：
　　 ①首次構建并啟動了以過硫酸鉀為陰極電子受體的“H”型MFC。研究表明，MFC的產(chǎn)電主要是依靠附著在陽極表面的生物膜，而非陽極電解質中的懸浮微生

4、物細胞。
　　 ②過硫酸鉀為電子受體的MFC 初始性能為83.9 mW m-2，遠低于鐵氰酸鉀為電子受體的166.7 mW m-2。恒電阻放電兩天的過程中，隨著反應物濃度降低，鐵氰酸鉀為陰極電子受體的MFC性能不斷下降，但過硫酸鉀為陰極電子受體的MFC性能卻不斷提高，并且最終的最高功率密度遠遠高于鐵氰酸鉀為陰極電子受體時的最高功率密度。通過對比恒電阻放電前后的陰陽極極化曲線，發(fā)現(xiàn)MFC 性能的提升主要是由于陰極側性能的提升；同時

5、，研究發(fā)現(xiàn)過硫酸根在水溶液中會發(fā)生水解反應，產(chǎn)生了自由基（OH·；SO4-·）
　　 及大量H+。因為自由基具有比過硫酸根更強的氧化能力和更好的活性，從而使得MFC性能大大提高。
　　 ③ MFC 性能隨著過硫酸鉀濃度的提高而提高，隨著陰極電解質pH 值的降低而提高；但是陰極側K+和H+濃度過高時，K+及H+可以透過質子交換膜到達MFC 陽極側，產(chǎn)生對微生物不利的生長環(huán)境，最終影響MFC 性能。
　　 ④首次將I

6、3-/I-氧化還原電對應用于MFC 陰極，提出并構建了利用太陽能進行循環(huán)再生的MFC 陰極體系。研究表明，在太陽光照條件下，陰極側KI在光照條件下可以被氧氣氧化生成I3-，從而實現(xiàn)陰極電子受體I3-的再生；300 h的氙燈光照實驗證明，所構建的MFC 陰極體系具有很好的穩(wěn)定性；
　　 ⑤通過線性掃描實驗發(fā)現(xiàn)，I3-在碳紙表面的極限電流密度高達4.2 mA cm-2，幾乎是鐵氰酸鉀的兩倍，且與陰極電解質pH 值無關；并且發(fā)現(xiàn)在高電

7、流密度下，I3-的傳質受限是影響MFC 性能的主要因素。同時實驗研究了操作參數(shù)如KI 溶液pH 值、KI 溶液濃度、氧氣流量及光照強度等對I3-再生特性及MFC 性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當陰極側KI 溶液在濃度高于0.2 M，pH 值2.0 左右，直接暴露在空氣中且光照強度為300 mW cm-2時，生成的I3-的量足以維持MFC的穩(wěn)定運行。
　　 ⑥通過研究啟動方式對MFC 性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)流方式啟動時MFC的啟動時間要

8、比序批式啟動時更短，啟動后的MFC 穩(wěn)定性更佳，并且輸出功率提高一倍多。
　　 無論以何種方式啟動，MFC在高電流密度下都會出現(xiàn)嚴重的傳質惡化現(xiàn)象：即隨著外接電阻的降低，電流在短暫上升之后會急劇下降，同時伴隨著負載電壓及電池功率的急劇下降。研究表明，陰極側電子受體的傳質受限是出現(xiàn)的這種現(xiàn)象的主要因素。通過在MFC 陰極室進行攪拌或采用高濃度的電子受體，可以在一定程度上消除這種嚴重的傳質惡化現(xiàn)象。
　　 ⑦通過改變電池結構