不同陰極材料對(duì)MFC處理生物廢棄物的影響研究

程棟　金玉娟　劉盛萍

摘 要：該文主要利用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO23種不同陰極材料自制成微生物燃料電池（MFC）處理生物廢棄物，通過相關(guān)指標(biāo)的測定，比較3種陰極材料對(duì)MFC的處理效果及產(chǎn)電能力，從而對(duì)MFC的裝置進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：石墨-PbO2作為MFC的陰極材料，無論是降解有機(jī)物的效果還是產(chǎn)電能力方面都優(yōu)于碳布及碳布-PbO2。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池（MFC）；生物廢棄物；陰極材料；降解效果；產(chǎn)電能力

中圖分類號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）23-88-03

微生物燃料電池（MFC）是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物的代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，是在生物燃料電池基礎(chǔ)上，伴隨微生物、電化學(xué)及材料等學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展起來的。MFC處理生物廢棄物的創(chuàng)新之處在于有效地利用了廢物中的有機(jī)質(zhì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能和除廢的雙重目的，在生物制能和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大前景[1-2]。MFC代表了當(dāng)今前沿的廢棄物資源化利用方向，有望成為未來有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)[3]。對(duì)于MFC而言，電極材料關(guān)系到電池的內(nèi)阻大小及其電子傳輸速率，對(duì)其產(chǎn)電性能有著顯著的影響[3]。陰極一般采用碳布、石墨、碳刷為基本材料，但直接使用效果不佳，可通過附著高活性催化劑改善效果。催化劑通過降低陰極反應(yīng)活化電勢，從而加快傳遞速率[2，4-5]。本文主要利用MFC處理農(nóng)貿(mào)市場的生物廢棄物，考察3種不同陰極材料對(duì)MFC處理效果及產(chǎn)電能力的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)顯萬用表；可調(diào)變阻器；電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測儀（rbh8251）；TOC/TC分析儀（MUTI2100C/N）。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 電極材料 陽極采用碳纖維布，陰極分別采用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO2[6]。

1.2.2 鹽橋的制作 在500.0mL燒杯中加入4.0g瓊脂和200.0mL蒸餾水，用電爐加熱，持續(xù)用玻璃棒攪拌直到瓊脂全部溶解，然后加入60.0gKCl，持續(xù)攪拌直到完全溶解，再將混合溶液置于U型玻璃管內(nèi)，等瓊脂冷卻為凝膠狀，將過剩的瓊脂清理掉，使瓊脂與U形管齊平[7-8]。

1.2.3 厭氧活性污泥 取自某污水處理廠的厭氧污泥并用營養(yǎng)液馴化培養(yǎng)7d。

1.2.4 生物廢棄物 試驗(yàn)材料為合肥市海恒農(nóng)貿(mào)市場凈菜后的垃圾，主要是以生物廢棄物為主。垃圾分揀后進(jìn)行清洗、晾灑、去除泥土和沙礫，再進(jìn)行人工破碎，將垃圾切成1～2cm長后，利用植物組織粉碎機(jī)制成勻漿。

1.3 分析方法 MFC實(shí)時(shí)電壓采集使用USB數(shù)據(jù)采集器及電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件（rbh8251）將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，電壓記錄頻率為1Hz。極化曲線、功率密度曲線及最大功率密度：MFC產(chǎn)電穩(wěn)定后斷開外電路3～6h，從高電阻至低電阻100Ω改變外電阻，待電壓穩(wěn)定即可記錄電壓值。根據(jù)歐姆定律計(jì)算出電流密度I和功率密度P，結(jié)合功率密度曲線的最大功率密度點(diǎn)和極化曲線，利用歐姆定律即可計(jì)算出MFC穩(wěn)定狀態(tài)下的內(nèi)阻R。用pHS-3E型酸度計(jì)測定pH值，用TOC分析儀通過差減法測定TOC含量。

1.4 微生物燃料電池的構(gòu)建 本次實(shí)驗(yàn)是在參考國內(nèi)外對(duì)MFC處理廢水的研究的基礎(chǔ)上對(duì)MFC處理廢棄物的工藝做的初次探索。采用容積為2L的反應(yīng)容器構(gòu)建成雙室MFC，陽極室充滿生物廢棄物和厭氧活性污泥的混合液，其添加比例為10∶3，并充N2約5min，以去除O2，確保陽極室的厭氧環(huán)境。陰極室則注滿2L的磷酸鹽緩沖溶液，并用空氣泵曝氣，曝氣量為1.5L/min，用鹽橋連接陰極室和陽極室，用導(dǎo)線連接1KΩ電阻和兩端電極形成閉合回路。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3 結(jié)論

（1）反應(yīng)過程中的pH值基本在6.3～7.3，且呈上升趨勢，較適合反應(yīng)微生物的生長。

（2）3種MFC對(duì)TOC的去除率以石墨-PbO2最高，碳布-PbO2次之，碳布最低。

（3）以石墨-PbO2為陰極材料的MFC產(chǎn)生的電壓最高，功率密度達(dá)到52.1mW/m2，碳布-PbO2次之，以碳布為陰極材料的MFC產(chǎn)生的電壓最低。

（4）對(duì)有機(jī)物的降解與產(chǎn)電能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可知，石墨-PbO2最優(yōu)，碳布-PbO2次之，碳布最差。

參考文獻(xiàn)

[1]洪義國，郭俊，孫國萍.產(chǎn)電微生物及微生物燃料電池最新研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)報(bào)，2007，47（1）：1.

[2]曾麗珍，李偉善.微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2009，14（4）：1-4.

[3崔亞偉，陳金發(fā).廚余垃圾的資源化現(xiàn)狀及前景展望[J].中國資源綜合用，2006，24（10）：1-4.

[4]盧娜，周順，桂倪晉.微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制[J].化學(xué)發(fā)展，2008，20（7）：3-6.

[5]Bailey M J，Biely P，Poutanen K J.Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase[J].Biotechnol，1992，23：257-270.

[6]黃霞，范明志，梁鵬，等.微生物燃料電池陽極特性對(duì)產(chǎn)電性能的影響[J].中國給水排水，2007，23（3）：8-12.

[7]秦旅.巧制鹽橋[J].化學(xué)教育，1998，6：39.

[8]李炳煥，沈玉龍，賈靜嫻.鹽橋的作用是什么[J].化學(xué)教育，2001，11：40-41. （責(zé)編：張宏民）endprint

摘 要：該文主要利用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO23種不同陰極材料自制成微生物燃料電池（MFC）處理生物廢棄物，通過相關(guān)指標(biāo)的測定，比較3種陰極材料對(duì)MFC的處理效果及產(chǎn)電能力，從而對(duì)MFC的裝置進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：石墨-PbO2作為MFC的陰極材料，無論是降解有機(jī)物的效果還是產(chǎn)電能力方面都優(yōu)于碳布及碳布-PbO2。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池（MFC）；生物廢棄物；陰極材料；降解效果；產(chǎn)電能力

中圖分類號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）23-88-03

微生物燃料電池（MFC）是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物的代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，是在生物燃料電池基礎(chǔ)上，伴隨微生物、電化學(xué)及材料等學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展起來的。MFC處理生物廢棄物的創(chuàng)新之處在于有效地利用了廢物中的有機(jī)質(zhì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能和除廢的雙重目的，在生物制能和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大前景[1-2]。MFC代表了當(dāng)今前沿的廢棄物資源化利用方向，有望成為未來有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)[3]。對(duì)于MFC而言，電極材料關(guān)系到電池的內(nèi)阻大小及其電子傳輸速率，對(duì)其產(chǎn)電性能有著顯著的影響[3]。陰極一般采用碳布、石墨、碳刷為基本材料，但直接使用效果不佳，可通過附著高活性催化劑改善效果。催化劑通過降低陰極反應(yīng)活化電勢，從而加快傳遞速率[2，4-5]。本文主要利用MFC處理農(nóng)貿(mào)市場的生物廢棄物，考察3種不同陰極材料對(duì)MFC處理效果及產(chǎn)電能力的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)顯萬用表；可調(diào)變阻器；電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測儀（rbh8251）；TOC/TC分析儀（MUTI2100C/N）。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 電極材料 陽極采用碳纖維布，陰極分別采用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO2[6]。

1.2.2 鹽橋的制作 在500.0mL燒杯中加入4.0g瓊脂和200.0mL蒸餾水，用電爐加熱，持續(xù)用玻璃棒攪拌直到瓊脂全部溶解，然后加入60.0gKCl，持續(xù)攪拌直到完全溶解，再將混合溶液置于U型玻璃管內(nèi)，等瓊脂冷卻為凝膠狀，將過剩的瓊脂清理掉，使瓊脂與U形管齊平[7-8]。

1.2.3 厭氧活性污泥 取自某污水處理廠的厭氧污泥并用營養(yǎng)液馴化培養(yǎng)7d。

1.2.4 生物廢棄物 試驗(yàn)材料為合肥市海恒農(nóng)貿(mào)市場凈菜后的垃圾，主要是以生物廢棄物為主。垃圾分揀后進(jìn)行清洗、晾灑、去除泥土和沙礫，再進(jìn)行人工破碎，將垃圾切成1～2cm長后，利用植物組織粉碎機(jī)制成勻漿。

1.3 分析方法 MFC實(shí)時(shí)電壓采集使用USB數(shù)據(jù)采集器及電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件（rbh8251）將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，電壓記錄頻率為1Hz。極化曲線、功率密度曲線及最大功率密度：MFC產(chǎn)電穩(wěn)定后斷開外電路3～6h，從高電阻至低電阻100Ω改變外電阻，待電壓穩(wěn)定即可記錄電壓值。根據(jù)歐姆定律計(jì)算出電流密度I和功率密度P，結(jié)合功率密度曲線的最大功率密度點(diǎn)和極化曲線，利用歐姆定律即可計(jì)算出MFC穩(wěn)定狀態(tài)下的內(nèi)阻R。用pHS-3E型酸度計(jì)測定pH值，用TOC分析儀通過差減法測定TOC含量。

1.4 微生物燃料電池的構(gòu)建 本次實(shí)驗(yàn)是在參考國內(nèi)外對(duì)MFC處理廢水的研究的基礎(chǔ)上對(duì)MFC處理廢棄物的工藝做的初次探索。采用容積為2L的反應(yīng)容器構(gòu)建成雙室MFC，陽極室充滿生物廢棄物和厭氧活性污泥的混合液，其添加比例為10∶3，并充N2約5min，以去除O2，確保陽極室的厭氧環(huán)境。陰極室則注滿2L的磷酸鹽緩沖溶液，并用空氣泵曝氣，曝氣量為1.5L/min，用鹽橋連接陰極室和陽極室，用導(dǎo)線連接1KΩ電阻和兩端電極形成閉合回路。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3 結(jié)論

（1）反應(yīng)過程中的pH值基本在6.3～7.3，且呈上升趨勢，較適合反應(yīng)微生物的生長。

（2）3種MFC對(duì)TOC的去除率以石墨-PbO2最高，碳布-PbO2次之，碳布最低。

（3）以石墨-PbO2為陰極材料的MFC產(chǎn)生的電壓最高，功率密度達(dá)到52.1mW/m2，碳布-PbO2次之，以碳布為陰極材料的MFC產(chǎn)生的電壓最低。

（4）對(duì)有機(jī)物的降解與產(chǎn)電能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可知，石墨-PbO2最優(yōu)，碳布-PbO2次之，碳布最差。

參考文獻(xiàn)

[1]洪義國，郭俊，孫國萍.產(chǎn)電微生物及微生物燃料電池最新研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)報(bào)，2007，47（1）：1.

[2]曾麗珍，李偉善.微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2009，14（4）：1-4.

[3崔亞偉，陳金發(fā).廚余垃圾的資源化現(xiàn)狀及前景展望[J].中國資源綜合用，2006，24（10）：1-4.

[4]盧娜，周順，桂倪晉.微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制[J].化學(xué)發(fā)展，2008，20（7）：3-6.

[5]Bailey M J，Biely P，Poutanen K J.Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase[J].Biotechnol，1992，23：257-270.

[6]黃霞，范明志，梁鵬，等.微生物燃料電池陽極特性對(duì)產(chǎn)電性能的影響[J].中國給水排水，2007，23（3）：8-12.

[7]秦旅.巧制鹽橋[J].化學(xué)教育，1998，6：39.

[8]李炳煥，沈玉龍，賈靜嫻.鹽橋的作用是什么[J].化學(xué)教育，2001，11：40-41. （責(zé)編：張宏民）endprint

摘 要：該文主要利用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO23種不同陰極材料自制成微生物燃料電池（MFC）處理生物廢棄物，通過相關(guān)指標(biāo)的測定，比較3種陰極材料對(duì)MFC的處理效果及產(chǎn)電能力，從而對(duì)MFC的裝置進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：石墨-PbO2作為MFC的陰極材料，無論是降解有機(jī)物的效果還是產(chǎn)電能力方面都優(yōu)于碳布及碳布-PbO2。

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池（MFC）；生物廢棄物；陰極材料；降解效果；產(chǎn)電能力

中圖分類號(hào) X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2014）23-88-03

微生物燃料電池（MFC）是利用電化學(xué)技術(shù)將微生物的代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，是在生物燃料電池基礎(chǔ)上，伴隨微生物、電化學(xué)及材料等學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展起來的。MFC處理生物廢棄物的創(chuàng)新之處在于有效地利用了廢物中的有機(jī)質(zhì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能和除廢的雙重目的，在生物制能和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大前景[1-2]。MFC代表了當(dāng)今前沿的廢棄物資源化利用方向，有望成為未來有機(jī)廢棄物能源化處置的支柱性技術(shù)[3]。對(duì)于MFC而言，電極材料關(guān)系到電池的內(nèi)阻大小及其電子傳輸速率，對(duì)其產(chǎn)電性能有著顯著的影響[3]。陰極一般采用碳布、石墨、碳刷為基本材料，但直接使用效果不佳，可通過附著高活性催化劑改善效果。催化劑通過降低陰極反應(yīng)活化電勢，從而加快傳遞速率[2，4-5]。本文主要利用MFC處理農(nóng)貿(mào)市場的生物廢棄物，考察3種不同陰極材料對(duì)MFC處理效果及產(chǎn)電能力的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器 數(shù)顯萬用表；可調(diào)變阻器；電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測儀（rbh8251）；TOC/TC分析儀（MUTI2100C/N）。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 電極材料 陽極采用碳纖維布，陰極分別采用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO2[6]。

1.2.2 鹽橋的制作 在500.0mL燒杯中加入4.0g瓊脂和200.0mL蒸餾水，用電爐加熱，持續(xù)用玻璃棒攪拌直到瓊脂全部溶解，然后加入60.0gKCl，持續(xù)攪拌直到完全溶解，再將混合溶液置于U型玻璃管內(nèi)，等瓊脂冷卻為凝膠狀，將過剩的瓊脂清理掉，使瓊脂與U形管齊平[7-8]。

1.2.3 厭氧活性污泥 取自某污水處理廠的厭氧污泥并用營養(yǎng)液馴化培養(yǎng)7d。

1.2.4 生物廢棄物 試驗(yàn)材料為合肥市海恒農(nóng)貿(mào)市場凈菜后的垃圾，主要是以生物廢棄物為主。垃圾分揀后進(jìn)行清洗、晾灑、去除泥土和沙礫，再進(jìn)行人工破碎，將垃圾切成1～2cm長后，利用植物組織粉碎機(jī)制成勻漿。

1.3 分析方法 MFC實(shí)時(shí)電壓采集使用USB數(shù)據(jù)采集器及電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件（rbh8251）將數(shù)據(jù)傳送至計(jì)算機(jī)，電壓記錄頻率為1Hz。極化曲線、功率密度曲線及最大功率密度：MFC產(chǎn)電穩(wěn)定后斷開外電路3～6h，從高電阻至低電阻100Ω改變外電阻，待電壓穩(wěn)定即可記錄電壓值。根據(jù)歐姆定律計(jì)算出電流密度I和功率密度P，結(jié)合功率密度曲線的最大功率密度點(diǎn)和極化曲線，利用歐姆定律即可計(jì)算出MFC穩(wěn)定狀態(tài)下的內(nèi)阻R。用pHS-3E型酸度計(jì)測定pH值，用TOC分析儀通過差減法測定TOC含量。

1.4 微生物燃料電池的構(gòu)建 本次實(shí)驗(yàn)是在參考國內(nèi)外對(duì)MFC處理廢水的研究的基礎(chǔ)上對(duì)MFC處理廢棄物的工藝做的初次探索。采用容積為2L的反應(yīng)容器構(gòu)建成雙室MFC，陽極室充滿生物廢棄物和厭氧活性污泥的混合液，其添加比例為10∶3，并充N2約5min，以去除O2，確保陽極室的厭氧環(huán)境。陰極室則注滿2L的磷酸鹽緩沖溶液，并用空氣泵曝氣，曝氣量為1.5L/min，用鹽橋連接陰極室和陽極室，用導(dǎo)線連接1KΩ電阻和兩端電極形成閉合回路。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

3 結(jié)論

（1）反應(yīng)過程中的pH值基本在6.3～7.3，且呈上升趨勢，較適合反應(yīng)微生物的生長。

（2）3種MFC對(duì)TOC的去除率以石墨-PbO2最高，碳布-PbO2次之，碳布最低。

（3）以石墨-PbO2為陰極材料的MFC產(chǎn)生的電壓最高，功率密度達(dá)到52.1mW/m2，碳布-PbO2次之，以碳布為陰極材料的MFC產(chǎn)生的電壓最低。

（4）對(duì)有機(jī)物的降解與產(chǎn)電能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)可知，石墨-PbO2最優(yōu)，碳布-PbO2次之，碳布最差。

參考文獻(xiàn)

[1]洪義國，郭俊，孫國萍.產(chǎn)電微生物及微生物燃料電池最新研究進(jìn)展[J].微生物學(xué)報(bào)，2007，47（1）：1.

[2]曾麗珍，李偉善.微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展[J].電池工業(yè)，2009，14（4）：1-4.

[3崔亞偉，陳金發(fā).廚余垃圾的資源化現(xiàn)狀及前景展望[J].中國資源綜合用，2006，24（10）：1-4.

[4]盧娜，周順，桂倪晉.微生物燃料電池的產(chǎn)電機(jī)制[J].化學(xué)發(fā)展，2008，20（7）：3-6.

[5]Bailey M J，Biely P，Poutanen K J.Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase[J].Biotechnol，1992，23：257-270.

[6]黃霞，范明志，梁鵬，等.微生物燃料電池陽極特性對(duì)產(chǎn)電性能的影響[J].中國給水排水，2007，23（3）：8-12.

[7]秦旅.巧制鹽橋[J].化學(xué)教育，1998，6：39.

[8]李炳煥，沈玉龍，賈靜嫻.鹽橋的作用是什么[J].化學(xué)教育，2001，11：40-41. （責(zé)編：張宏民）endprint