微生物燃料電池陰極性能強(qiáng)化及傳輸特性研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱MFC）是一種可以將廢水中有機(jī)物所蘊(yùn)含的能量進(jìn)行回收利用的新型可再生能源裝置。它利用陽(yáng)極室內(nèi)的產(chǎn)電微生物將廢水中的有機(jī)物分解并用于產(chǎn)電，實(shí)現(xiàn)了污水處理與產(chǎn)電的相結(jié)合，在處理廢水的同時(shí)回收了能源，可大大降低污水處理的運(yùn)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(méi)有產(chǎn)出的缺點(diǎn)。
　　 然而目前MFC 產(chǎn)電性能不高，比化學(xué)燃料電池低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，其中很重要的一個(gè)

2、原因就是陰極側(cè)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(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但其活化能壁壘高，在碳電極上不容易發(fā)生反應(yīng)，活化損失現(xiàn)象嚴(yán)重，使得MFC 性能無(wú)法得到進(jìn)一步提高。為此，很多研究者提出了應(yīng)用可溶性的電子受體（如鐵氰酸鉀等）以提高M(jìn)FC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(wèn)題，從而大大制約了MFC的實(shí)際應(yīng)用。
　　 針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出

3、兩種新型的可溶性電子受體：過(guò)硫酸鉀（K2S2O8）及多碘離子（I3-），并將其應(yīng)用于MFC，在一定程度上提高了MFC 性能。其中，以過(guò)硫酸鉀為陰極電子受體的MFC 實(shí)現(xiàn)了陰陽(yáng)極同時(shí)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(yáng)光下循環(huán)再生。主要研究成果如下：
　　 ①首次構(gòu)建并啟動(dòng)了以過(guò)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(yáng)極表面的生物膜，而非陽(yáng)極電解質(zhì)中的懸浮微生

4、物細(xì)胞。
　　 ②過(guò)硫酸鉀為電子受體的MFC 初始性能為83.9 mW m-2，遠(yuǎn)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(guò)程中，隨著反應(yīng)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(guò)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于鐵氰酸鉀為陰極電子受體時(shí)的最高功率密度。通過(guò)對(duì)比恒電阻放電前后的陰陽(yáng)極極化曲線，發(fā)現(xiàn)MFC 性能的提升主要是由于陰極側(cè)性能的提升；同時(shí)

5、，研究發(fā)現(xiàn)過(guò)硫酸根在水溶液中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生了自由基（OH·；SO4-·）
　　 及大量H+。因?yàn)樽杂苫哂斜冗^(guò)硫酸根更強(qiáng)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(guò)硫酸鉀濃度的提高而提高，隨著陰極電解質(zhì)pH 值的降低而提高；但是陰極側(cè)K+和H+濃度過(guò)高時(shí)，K+及H+可以透過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)MFC 陽(yáng)極側(cè)，產(chǎn)生對(duì)微生物不利的生長(zhǎng)環(huán)境，最終影響MFC 性能。
　　 ④首次將I

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

7、流密度下，I3-的傳質(zhì)受限是影響MFC 性能的主要因素。同時(shí)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度等對(duì)I3-再生特性及MFC 性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陰極側(cè)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(qiáng)度為300 mW cm-2時(shí)，生成的I3-的量足以維持MFC的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　 ⑥通過(guò)研究啟動(dòng)方式對(duì)MFC 性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用連續(xù)流方式啟動(dòng)時(shí)MFC的啟動(dòng)時(shí)間要

8、比序批式啟動(dòng)時(shí)更短，啟動(dòng)后的MFC 穩(wěn)定性更佳，并且輸出功率提高一倍多。
　　 無(wú)論以何種方式啟動(dòng)，MFC在高電流密度下都會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的傳質(zhì)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(huì)急劇下降，同時(shí)伴隨著負(fù)載電壓及電池功率的急劇下降。研究表明，陰極側(cè)電子受體的傳質(zhì)受限是出現(xiàn)的這種現(xiàn)象的主要因素。通過(guò)在MFC 陰極室進(jìn)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(yán)重的傳質(zhì)惡化現(xiàn)象。
　　 ⑦通過(guò)改變電池結(jié)構(gòu)