針對微生物燃料電池擴(kuò)大化的新型空氣陰極開發(fā)研究.pdf

1、能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為當(dāng)今社會人們最受關(guān)注的話題之一，微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell,MFC）作為一種新型污水處理及能量回收技術(shù)，獲得了廣泛的關(guān)注。MFC擴(kuò)大化應(yīng)用有兩種途徑：（1）堆疊型擴(kuò)大化，通過多個小、中型MFC堆疊連接實現(xiàn)擴(kuò)大化應(yīng)用；（2）單體大尺寸MFC擴(kuò)大化，即擴(kuò)大單個MFC體積實現(xiàn)擴(kuò)大化應(yīng)用?？諝怅帢OMFC是擴(kuò)大化的最佳選擇，其中空氣陰極是整個MFC系統(tǒng)性能和成本的限制因素。因此，針對兩種MFC擴(kuò)大

2、化途徑分別設(shè)計和優(yōu)化陰極種類及結(jié)構(gòu)具有重要意義。
　　針對堆疊型MFC擴(kuò)大化，以石墨氈為集電體、活性炭為催化劑制作石墨氈-活性炭陰極，在典型小型MFC中優(yōu)化催化劑負(fù)載、擴(kuò)散層負(fù)載，通過耐水壓測試及中型MFC考察了石墨氈-活性炭陰極用于堆疊型MFC擴(kuò)大化的可行性。結(jié)果表明：石墨氈-活性炭陰極最佳制作條件為催化劑活性炭負(fù)載20mgcm2、擴(kuò)散層PTFE負(fù)載80mgcm2。以28mL小型MFC測得的最大功率密度（Maximum Powe

3、r Density,MPD）為1472.3±10.6mWcm2，運行3個月后產(chǎn)電功率僅下降6.0％，初始（第4個周期）產(chǎn)電功率比泡沫鎳-活性炭陰極高28.7%，單位產(chǎn)電成本為220.9￥W-1，比泡沫鎳-活性炭陰極低6.6%，具有良好的產(chǎn)電性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)可行性。在中型MFC中陰極具有良好的長期運行穩(wěn)定性，340mL中型MFC運行4個月后MPD達(dá)到136.2WM-3；4.5L中型MFC運行2個月后MPD達(dá)到6.5Wm-3。由此可知，石

4、墨氈-活性炭陰極可用于堆疊型MFC擴(kuò)大化。
　　針對單體大尺寸MFC擴(kuò)大化，以不銹鋼網(wǎng)為集電體、活性炭為催化劑制作不銹鋼網(wǎng)-活性炭陰極，并在28mL小型MFC上連接水管構(gòu)建模擬大尺寸MFC水壓的柱狀水壓反應(yīng)器，研究了水壓及粘結(jié)劑量對陰極性能的共同影響。結(jié)果表明：適當(dāng)提高陰極 PTFE粘結(jié)劑量可提高陰極在高水壓下的產(chǎn)電性能進(jìn)而提高M(jìn)FC產(chǎn)電功率，但不影響MFC的啟動過程及陽極性能；隨著水壓增加，陰極產(chǎn)電性能呈先增加而后降低，水壓對陰

5、極產(chǎn)電性能的影響與陰極氧氣傳質(zhì)系數(shù)、基質(zhì)消耗速率、陰極水淹等多個因素有關(guān)。此外，水壓增加延長MFC啟動時間、降低MFC陽極性能，這可能與產(chǎn)電微生物受環(huán)境變化影響、陰極透氧量、微生物代謝及電化學(xué)活性、基質(zhì)濃度等有關(guān)。
　　在單層催化層陰極研究的基礎(chǔ)上，通過改變陰極厚度方向粘結(jié)劑含量開發(fā)了雙層催化層結(jié)構(gòu)的陰極，結(jié)果表明：雙層催化層陰極有效降低了水壓對陰極性能的影響，提高了MFC的產(chǎn)電功率和長期運行的穩(wěn)定型。研究發(fā)現(xiàn)：減少外層催化層（靠

6、近溶液側(cè)）的PTFE粘結(jié)劑同時增加內(nèi)層催化層（靠近不銹鋼網(wǎng)側(cè)）的PTFE粘結(jié)劑時，雙層催化層結(jié)構(gòu)可提高不銹鋼網(wǎng)-活性炭陰極的產(chǎn)電性能和運行穩(wěn)定性。當(dāng)外層催化層的活性炭與PTFE質(zhì)量比為12：2、內(nèi)層催化層的活性炭與PTFE質(zhì)量比為12：3時，雙層催化層陰極（DP3P2）MFC在第12天的平均MPD達(dá)到1502.7±52.1mWm-2，比單層催化層陰極MFC的高1.7%。運行3個月后，雙層催化層陰極MFC的產(chǎn)電功率下降15.8%，而單層催