微生物燃料電池陽極活性菌及其對(duì)功率密度曲線回折的影響.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFCs)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型燃料電池技術(shù)。由于其可以在降解污染物的同時(shí)回收到電能，而受到環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。目前，MFCs研究中較為重要的一個(gè)問題是如何克服某些生物和非生物因子對(duì)功率輸出的制約，從而提高系統(tǒng)的效能。這些限制因子往往通過MFCs的內(nèi)阻（Rin）、電容或者電極的阻抗反映出來。本文圍繞著微生物燃料電池體系運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的功率密度曲線回折現(xiàn)象，分析了這

2、種現(xiàn)象的發(fā)生與反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)阻力的相關(guān)性，反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)主要與構(gòu)型、電極材料、緩沖液濃度、底物濃度（電子供體、電子受體）、攪拌速度、微生物催化劑相關(guān)。本文在反應(yīng)器構(gòu)型和電極材料確定的情況下，研究底物濃度、攪拌速度對(duì)功率密度曲線回折現(xiàn)象的影響，探討功率密度曲線回折發(fā)生的原因。進(jìn)而，分別通過混合菌群和純菌構(gòu)建反應(yīng)器，分析電極活性微生物對(duì)微生物燃料電池體系內(nèi)傳質(zhì)的影響。
　　針對(duì)混合菌群構(gòu)建的微生物燃料電池體系，在不同溫度(15℃和25

3、℃)下雙室微生物燃料電池陽極形成生物膜后，將15oC(低溫)反應(yīng)器切換到25℃（室溫），與室溫反應(yīng)器的產(chǎn)電性能和傳質(zhì)變化相比，發(fā)現(xiàn)低溫反應(yīng)器能夠穩(wěn)定產(chǎn)電，且切換到室溫后仍能穩(wěn)定產(chǎn)電。但是，將室溫反應(yīng)器切換到低溫則不然。通過交流阻抗分析表明，低溫形成的生物膜極化內(nèi)阻較低。克隆文庫(kù)分析電極微生物群落顯示，低溫下形成的生物膜中耐寒微生物的存在對(duì)于生物膜能夠在室溫和
　　低溫下穩(wěn)定產(chǎn)電起主導(dǎo)作用，提出了東北地區(qū)低溫啟動(dòng)反應(yīng)器的適應(yīng)溫度變化

4、的啟動(dòng)策略。
　　為了進(jìn)一步探究純菌構(gòu)建的微生物燃料電池體系中陽極活性菌對(duì)傳質(zhì)阻力的影響，首先分離到三株典型陽極活性菌，通過形態(tài)觀察、生理生化、脂肪酸鑒定、16SrRNA基因的分子生物學(xué)鑒定等分析，表明三株菌分別屬于檸檬酸桿菌屬(Citrobacter sp.）、土桿菌屬(Geobacter sp.)、梭菌屬(Clostridium sp.)。利用三株菌分別啟動(dòng)雙室微生物燃料電池，均能夠穩(wěn)定產(chǎn)電。通過交流阻抗分別測(cè)定全電池、陽極和

5、陰極，分析微生物燃料電池體系內(nèi)的傳質(zhì)變化，結(jié)果顯示電池的主要傳質(zhì)阻力來自于陽極。
　　本研究運(yùn)行雙室微生物燃料電池時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行五個(gè)批次循環(huán)后，通過線性掃描伏安（LSV）測(cè)定電池的極化曲線繪制功率密度曲線顯示出功率密度曲線回折現(xiàn)象，開路電壓0.67V，在電壓0.46V時(shí)電流密度為1045mA/m2時(shí)達(dá)到最大功率密度486mW/m2，然后發(fā)生功率密度曲線回折現(xiàn)象。陽極反應(yīng)被確定為主要影響因素。擾動(dòng)陽極液沒有顯著地增加電池性能，認(rèn)為從陽