底物對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響

滕　瑤1，王亞光1，費(fèi)講馳2，魯　濤1，何則強(qiáng)1

(1.吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000；

2.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083)

?

底物對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響

滕瑤1，王亞光1，費(fèi)講馳2，魯濤1，何則強(qiáng)1

(1.吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 吉首 416000；

2.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410083)

摘要：在自行構(gòu)建的“H”型雙室微生物燃料電池(MFC)中，以湖南省吉首市大田灣污水處理廠曝氣池中的污泥為接種污泥，以可溶性淀粉和白糊精為底物，考察不同底物及其質(zhì)量濃度對(duì)MFC獲得穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間、電動(dòng)勢、內(nèi)阻及功率密度等性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在同樣的條件下，以白糊精為底物的MFC啟動(dòng)快、內(nèi)阻小、功率密度較小，而以可溶性為底物的MFC啟動(dòng)慢、內(nèi)阻大、功率密度大；底物質(zhì)量濃度低于6 g/L時(shí)，以可溶性淀粉為底物的MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓的時(shí)間隨質(zhì)量濃度增大而增加，底物質(zhì)量濃度低于8 g/L時(shí)，以白糊精為底物的MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓的時(shí)間隨質(zhì)量濃度增大而增加.由于底物抑制效應(yīng)，質(zhì)量濃度較高時(shí)，隨著底物質(zhì)量濃度的增加.MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需的時(shí)間反而減少.

關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；底物；產(chǎn)電性能

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是一種利用產(chǎn)電微生物在降解廢水中的有機(jī)物的同時(shí)產(chǎn)生電能的新型能源轉(zhuǎn)換裝置.該裝置由產(chǎn)電微生物釋放的電子經(jīng)外電路由MFC的陽極傳遞到陰極并與氧氣及質(zhì)子結(jié)合產(chǎn)生水[1-4].影響MFC性能的因素包括質(zhì)子交換膜[5]、電極種類和電極間距[6]、溫度[7]、pH值[8]、接種菌[9]以及底物[10-11]等，其中底物對(duì)MFC陽極生物膜細(xì)菌群落的組成成分和MFC的功率密度、庫侖效率影響最為突出[12].MFC曾一度被認(rèn)為只是一種純粹生物產(chǎn)電裝置[13]，直到發(fā)現(xiàn)利用MFC陽極室的廢水為燃料可以產(chǎn)電的同時(shí)凈化廢水.不同類型的底物(從純化合物到廢水中存在的復(fù)雜有機(jī)質(zhì)體系)被用作MFC的碳源并實(shí)現(xiàn)微生物產(chǎn)電和廢水處理[14-15]，最常見的底物包括乙酸鹽、葡萄糖、蔗糖、木糖和各種廢水(如合成廢水、生活廢水、釀酒廢水、家畜廢水以及不同質(zhì)量濃度的各種造紙廢水).

盡管底物是影響MFC性能的最重要因素之一，但是因不同的研究者采用的操作條件、電極種類與表面積、接種的產(chǎn)電微生物等不同，故很難客觀評(píng)價(jià)不同底物對(duì)MFC性能的影響.為此，筆者以湖南省吉首市大田灣污水處理廠曝氣池中的污泥篩選出的高效產(chǎn)電菌為催化劑，在自行構(gòu)建的“H”型雙室MFC反應(yīng)器中進(jìn)行，分析2種不同分子大小的底物(可溶性淀粉和白糊精)及其質(zhì)量濃度對(duì)MFC啟動(dòng)時(shí)間、內(nèi)阻、穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間、功率密度等產(chǎn)電性能的影響.在其他條件不變的前提下，底物質(zhì)量濃度范圍控制在2.0~20.0 g/L.

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與材料

(1)實(shí)驗(yàn)儀器.離心機(jī)(5810R，德國Eppendorf公司)；pH計(jì)(FE20，梅特勒-托科多儀器上海有限公司)；萬用表(UT800，優(yōu)利德)；銀湖氧氣泵(SP-780，廣州日勝)；旋轉(zhuǎn)式電阻箱(ZX21，長城虹儀器廠);超凈工作臺(tái)(蘇凈集團(tuán)安泰公司)；電化學(xué)工作站(CHI660B，上海市辰華儀器有限公司)；恒溫培養(yǎng)箱(GNP-9050，上海市精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；高壓真氣滅菌器(MLS-3780，三洋公司)；質(zhì)子交換膜(NafionTM117，杜邦公司)；碳布(HCP331，上海市河森電器有限公司)等.

(2)實(shí)驗(yàn)材料.可溶性淀粉、白糊精及其他常用化學(xué)試劑均為分析純?cè)噭?，購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.

1.2 MFC的構(gòu)建

采用自行設(shè)計(jì)的“H”型雙室MFC反應(yīng)器[16]，其陰陽電極均采用碳布作為電極材料，兩極室容積均為125 mL，有效體積為125 cm3.陰陽兩極室之間用有效面積為16 cm2的NafionTM117型質(zhì)子交換膜隔開，實(shí)時(shí)監(jiān)測實(shí)驗(yàn)溫度和MFC的輸出電壓.根據(jù)產(chǎn)電菌的最適宜生長環(huán)境，實(shí)驗(yàn)初始溫度設(shè)置為30 ℃.

1.3 菌株來源和培養(yǎng)基

所用菌種為F026，由本課題組對(duì)湖南省吉首市大田灣污水處理廠曝氣池的產(chǎn)電菌富集、分離、培養(yǎng)和保藏[17]，培養(yǎng)基參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行配制.研究表明[17]，F(xiàn)026適合作為微生物燃料電池的高效產(chǎn)電菌，最適宜生長溫度為30~35 ℃，最適pH值范圍為8~9，電化學(xué)活性好.

1.4 陽極底物和MFC陰陽兩極的緩沖溶液

為了考察底物分子大小對(duì)MFC性能的影響，選擇可溶性淀粉和白糊精(采用干熱法將可溶性淀粉降解可得)為陽極底物，其質(zhì)量濃度范圍為2.0~20.0 g/L.

陽極室緩沖溶液和陰極電解質(zhì)溶液的組成如表1，2所示.溶液的pH值大小采用1.0 mol/L NaOH 和1.0 mol/L HCl 調(diào)節(jié)至7~8[16].

表1　陽極室緩沖溶液的成分

表2　陰極電解質(zhì)溶液的成分

1.5 分析方法

(2)MFC內(nèi)阻和電動(dòng)勢.MFC穩(wěn)定運(yùn)行后調(diào)節(jié)負(fù)載大小，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定30min后測定電壓，記錄電壓-電流密度曲線(極化曲線).根據(jù)全電路歐姆定律U=E-Ir進(jìn)行線性回歸得到MFC內(nèi)阻和電動(dòng)勢.

2結(jié)果與討論

2.1 不同底物質(zhì)量濃度對(duì)MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間的影響

開路電壓即熱力學(xué)平衡電壓(電路中沒有電流通過)，此時(shí)MFC電池處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，其大小直接影響MFC的輸出功率密度.2種底物在不同質(zhì)量濃度下達(dá)到MFC穩(wěn)定開路電壓(Uk)時(shí)所需時(shí)間如表3所示.

表3　不同底物質(zhì)量濃度對(duì)MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間的影響

從表3可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量濃度低于6 g/L時(shí)，隨著可溶性淀粉質(zhì)量濃度的增加，MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間增加；當(dāng)質(zhì)量濃度低于8 g/L時(shí)，隨著白糊精質(zhì)量濃度增加，MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需的時(shí)間增加.但當(dāng)質(zhì)量濃度超過6 g/L后，隨著可溶性淀粉質(zhì)量濃度增加MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間減少；質(zhì)量濃度超過8 g/L時(shí)，隨著白糊精質(zhì)量濃度增加，MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間減少.據(jù)分析，其可能的原因是：底物在低質(zhì)量濃度時(shí)，所有碳源都被消耗，導(dǎo)致達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需時(shí)間隨底物質(zhì)量濃度增加而延長；而在高質(zhì)量濃度時(shí)，由于底物的抑制效應(yīng)，微生物對(duì)碳源吸收有限，導(dǎo)致只需要很少的碳源就可達(dá)到穩(wěn)定的開路電壓，大部分底物實(shí)際上并沒有被消耗.

2.2 不同底物質(zhì)量濃度對(duì)MFC啟動(dòng)時(shí)間的影響

MFC的啟動(dòng)參照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行.筆者研究了不同底物質(zhì)量濃度對(duì)MFC啟動(dòng)時(shí)間的影響，結(jié)果如表4所示.

表4　不同底物質(zhì)量濃度對(duì)MFC啟動(dòng)時(shí)間的影響

為了降低底物抑制效應(yīng)的影響，可溶性淀粉的質(zhì)量濃度范圍控制在2~6 g/L之間，而白糊精的質(zhì)量濃度范圍控制在2~8 g/L之間.從表4可知，底物種類及其質(zhì)量濃度都對(duì)MFC啟動(dòng)時(shí)間具有一定的影響，啟動(dòng)時(shí)間為40~60 h.在同樣的質(zhì)量濃度下，以白糊精為底物的MFC比以可溶性淀粉為底物的MFC啟動(dòng)稍快，這可能是由于白糊精是可溶性淀粉的一種降解產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，分子量較小，更容易被微生物吸收利用.而隨著底物質(zhì)量濃度增加，2種底物的MFC啟示時(shí)間都呈現(xiàn)略有增加的趨勢.可能的原因是：(1)底物質(zhì)量濃度增加，可被微生物利用的有機(jī)物增多，啟動(dòng)時(shí)間增加；(2)底物質(zhì)量濃度增加，陽極室中其他種群微生物也可能對(duì)底物產(chǎn)生競爭吸收，導(dǎo)致MFC啟動(dòng)時(shí)間延長幅度不大.文獻(xiàn)[11，18-19]研究指出，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間較長時(shí)，可利用從正在運(yùn)行的MFC中獲取接種菌以縮短啟動(dòng)時(shí)間.

2.3 不同底物構(gòu)成的MFC的電流密度對(duì)電動(dòng)勢和內(nèi)阻的影響

圖1為不同底物構(gòu)成MFC的電流密度(J)對(duì)電壓的影響曲線，其中，MFC運(yùn)行溫度為25 ℃，底物質(zhì)量濃度均為6 g/L.根據(jù)圖1中的直線部分進(jìn)行線性擬合得到2條直線，從直線的截距和斜率可以得到MFC的電動(dòng)勢(E)和內(nèi)阻(Rin)理論值(見表5).

圖1　不同底物構(gòu)成的MFC的電壓隨電流密度的極化曲線

表5　由不同底物構(gòu)成的MFC極化曲線擬合

從表5可知，不同底物的極化曲線線性擬合程度較好，相關(guān)系數(shù)R2值均達(dá)到0.98以上，但不同底物構(gòu)成的MFC的電動(dòng)勢和內(nèi)阻的理論值不一樣.以可溶性淀粉為底物的MFC的電動(dòng)勢和內(nèi)阻理論值分別為0.52 V和102.8 Ω，而以白糊精為底物的MFC的電動(dòng)勢和內(nèi)阻理論值分別為0.41 V和72.4 Ω，該結(jié)論與文獻(xiàn)[20]的研究結(jié)果一致，這可能與底物的分子量大小和分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有關(guān).

2.4 不同底物構(gòu)成的MFC的電流密度對(duì)功率密度的影響

圖2　不同底物構(gòu)成的MFC的電流密度與功率密度關(guān)系曲線

不同底物構(gòu)成的MFC的電流密度與功率密度(φ)關(guān)系曲線如圖2所示.從圖2可知，隨著電流密度的增加，MFC的功率密度先增加后降低，以可溶性淀粉為底物的MFC的功率密度較以白糊精為底物的MFC的功率密度稍高，這可能是因?yàn)榭扇苄缘矸劢到夂蟮漠a(chǎn)物除白糊精外還有其他小分子也可以被微生物吸收利用.從圖2上還可以發(fā)現(xiàn)，以可溶性淀粉和白糊精為底物的MFC的最大功率密度分別為25.8，22.9 mW/m2，對(duì)應(yīng)的電流密度分別為100，120 mA/m2.

3結(jié)語

分析了2種不同底物及其質(zhì)量濃度變化對(duì)MFC啟動(dòng)時(shí)間、獲得穩(wěn)定開路電壓所需要的時(shí)間、電動(dòng)勢、內(nèi)阻、功率密度等產(chǎn)電性能的影響.研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，底物種類及其質(zhì)量濃度變化對(duì)MFC的產(chǎn)電性能具有重要影響.在同樣的條件下，以白糊精為底物的啟動(dòng)時(shí)間短、MFC內(nèi)阻小、輸出電壓和功率密度較小，而以可溶性為底物的MFC啟動(dòng)時(shí)間長、內(nèi)阻大、輸出電壓和功率密度大；當(dāng)?shù)孜镔|(zhì)量濃度低于6 g/L時(shí)，以可溶性淀粉為底物的MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓的時(shí)間隨質(zhì)量濃度增大而增加，當(dāng)質(zhì)量濃度低于8 g/L時(shí)，以白糊精為底物的MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓的時(shí)間隨質(zhì)量濃度增大而增加，但由于底物抑制效應(yīng)，質(zhì)量濃度較高時(shí)，隨著底物質(zhì)量濃度的增加，MFC達(dá)到穩(wěn)定開路電壓所需的時(shí)間反而減少，這2種底物對(duì)MFC產(chǎn)電性能的差別可能與二者的分子結(jié)構(gòu)有關(guān).

參考文獻(xiàn):

[1] LIU Zhidan,LI Haoran.Effects of Bio￣And Abio￣Factors on Electricity Production in a Mediatorless Microbial Fuel Cell[J].Biochemical Engineering Journal,2007,36(3):209-214.

[2] KIM M S,LEE Y.Optimization of Culture Conditions and Electricity Generation Using Geobacter Sulfurreducens in a Dual￣Chambered Microbial Fuel￣Cell[J].International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(23):13 028-13 034.

[3] LARROSA A,LOZANO L J,KATURI K P,et al.On the Repeatability and Reproducibility of Experimental Two￣Chambered Microbial Fuel Cells[J].Fuel,2009,88(10):1 852-1 857.

[4] TANG X,DU Z,LI H.Anodic Electron Shuttle Mechanism Based on 1￣Hydroxy￣4￣Aminoanthraquinone in Microbial Fuel Cells[J].Electrochemistry Communications,2010,12(6):1 140-1 143.

[5] CHAE K,CHOI M,AJAYI F,et al.Mass Transport Through a Proton Exchange Membrane (Nafion) in Microbial Fuel Cells[J].Energy & Fuels,2007,22(1):169-176.

[6] LI F,SHARMA H,LEI Y,et al.Microbial Fuel Cells:The Effects of Configurations,Electrolyte Solutions,and Electrode Materials on Power Generation[J].Applied Biochemistry and Biotechnology，2010,160(1):168-181.

[7] LARROSA￣GUERRERO A,SCOTT K,HEAD I M.Effect of Temperature on the Performance of Microbial Fuel Cells[J].Fuel,2010,89(12):3 985-3 994.

[8] HE Z,HUANG Y,MANOHAR A K.Effect of Electrolyte pH on the Rate of the Anodic and Cathodic Reactions in an Air￣Cathode Microbial Fuel Cell[J].Bioelectrochemistry,2008,74(1):78-82.

[9] IEROPOULOS I,WINFIELD J,GREENMAN J.Effects of Flow￣Rate,Inoculum and Time on the Internal Resistance of Microbial Fuel Cells[J].Bioresource Technology,2010,101(10):3 520-3 525.

[10] CHAE K,CHOI M,LEE J,et al.Effect of Different Substrates on the Performance,Bacterial Diversity,and Bacterial Viability in Microbial Fuel Cells[J].Bioresource Technology,2009,100(14):3 518-3 525.

[11] THYGESEN A,POULSEN F W,MIN B,et al.The Effect of Different Substrates and Humic Acid on Power Generation in Microbial Fuel Cell Operation[J].Bioresource Technology,2009,100(3):1 186-1 191.

[12] PANT D,VAN BOGAERT G,DIELS L,et al.A Review of the Substrates Used in Microbial Fuel Cells (MFCs) for Sustainable Energy Production[J].Bioresource Technology,2010,101(6):1 533-1 543.

[13] HABERMANN W，POMMER E.Biological Fuel Cells with Sulphide Storage Capacity[J].Applied Microbiology and Biotechnology,1991,35(1):128-133.

[14] LIU H,CHENG S,LOGAN B E.Production of Electricity from Acetate or Butyrate Using a Single￣Chamber Microbial Fuel Cell[J].Environ. Sci. Technol.,2005,39(2):658-662.

[15] CHAUDHURI S,LOVLEY D.Electricity Generation by Direct Oxidation of Glucose in Mediatorless Microbial Fuel Cells[J].Nature Biotechnology,2003,21(10):1 229-1 232.

[16] 費(fèi)講馳.效產(chǎn)電菌的篩選及其在微生物燃料電池中的應(yīng)用研究[D].吉首:吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,2014.

[17] 費(fèi)講馳,滕瑤,熊利芝,等.微生物燃料電池中產(chǎn)電微生物的系統(tǒng)發(fā)育分析及篩選[J].微生物學(xué)雜志,2014,34(1):33-40.

[18] LOGAN B E.Microbial Fuel Cells[M].USA:John Wiley & Sons. Inc.,2007.

[19] HUANG Liping,ANGELIDAKI I.Effect of Humic Acids on Electricity Generation Integrated with Xylose Degradation in Microbial Fuel Cells[J].Biotechnology and Bioengineering,2008,100(3):413-422.

[20] 孔曉英,孫永明,李連華,等.不同底物對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(S1):185-188.

(責(zé)任編輯陳炳權(quán))

Effects of Substrate on the Electricity Generation

Characteristics of Microbial Fuel Cell

TENG Yao1,WANG Yaguang1,FEI Jiang￣chi2,Lu Tao1,HE Zeqiang1

(1.College of Biology and Environmental Science,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China；2.School of

Metallurgy and Environment,Central South University,Changsha 410083,China)

Abstract：A reaction equipment of microbial fuel cell (MFC) with “H” structure was designed and fabricated.The sludge collected from the aeration tan in Datianwan Sewage Treatment Plant in Jishou was used to inoculate electricigens.The effects of substrate species and concentration on the electricity generation of MFC in view of start￣up time,time for obtaining stable open circuit voltage,electromotive force,internal resistance and power density were investigated.Experimental results showed that the substrate species and concentration greatly influenced the electricity generation of MFC probably due to their difference in structure.It was found that the white dextrin￣fed MFC could be started up in shorter time with smaller internal resistance,smaller electromotive force and smaller power density.Under the same conditions,the soluble starch￣fed MFC had larger electromotive force,larger power density,bigger internal resistance and longer time to be started￣up.The results also indicated that an increase in the substrate concentration increased the time for reaching constant OCV at low concentration of 2~6 g/L for soluble starch and 2~8 g/L for white dextrin.While an opposite trend was observed at high concentration of 8~20 g/L for soluble starch and 10~20 g/L for white dextrin attributed to the substrate inhibition effect.

Key words:microbial fuel cell;substrate;electricity generation characteristics

作者簡介：滕瑤(1988—)，女，湖南永順人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院碩士研究生，主要從事微生物燃料電池研究通信作者：何則強(qiáng)(1974—)，男，湖南益陽人，吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授，博士，主要從事功能材料和廢物資源化利用研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助資助項(xiàng)目(51262008，51472107)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12JJ2005)；湖南省科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2012GK2017)；湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(JSU0713)

收稿日期：2014-12-20

中圖分類號(hào)：TK01

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

DOI:10.3969/j.issn.1007-2985.2015.03.017

文章編號(hào)：1007-2985(2015)03-0077-05