單室空氣陰極微生物燃料電池處理模擬生活廢水同步產(chǎn)電研究

文_謝磊磊 李然 朱曉敏 孫冬茍 吳文彬

1.昆明冶金高等?？茖W(xué)校 2.云南綠韻環(huán)?？萍加邢薰?/p>

微生物燃料電池（MFC）是利用化學(xué)技術(shù)將微生物代謝能轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置。如果能將MFC 應(yīng)用到廢水處理領(lǐng)域，在處理有機廢水的同時獲得電能，可達(dá)到能源回收利用和污染物處理的雙重效益。

為了提高雙室微生物燃料電池（DCMFC）處理污水的效率，研究者嘗試對反應(yīng)器外形、隔膜材料、電解液流道等部件進(jìn)行改良，相繼出現(xiàn)了經(jīng)典H 型DCMFC、鹽橋DCMFC、無膜DCMFC、平板 DCMFC、微型 DCMFC、升流式 DCMFC 等。雖然DCMFC 構(gòu)型多樣且應(yīng)用范圍較廣，但是都存在內(nèi)阻較高、構(gòu)建與運行成本昂貴、難以放大等問題，制約了 DCMFC 在實際污水環(huán)境的應(yīng)用。

單室MFC 是在DCMFC 基礎(chǔ)上通過將陰極室壓縮至完全被陰極所替代所形成的，不但減小了內(nèi)阻也節(jié)約了電池體積，而且結(jié)構(gòu)易于放大，是更適合于污水處理的MFC 基本構(gòu)型。我國在MFC 處理處理廢水方面的研究較少。近年來，許多業(yè)內(nèi)專家在MFC 陰極設(shè)計、污水處理等方面做出了一定的研究，但都面臨污水處理和產(chǎn)電效率不理想的問題。

本實驗設(shè)計一新型單室空氣陰極MFC 來處理模擬廢水同步產(chǎn)電，并對其性能和影響因素進(jìn)行研究，為MFC 處理生活廢水工業(yè)化應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 工作原理

陽極室在厭氧環(huán)境下，電化學(xué)活性微生物催化氧化有機物并從中獲取能量。細(xì)胞呼吸過程中釋放電子，通過輔酶和氧化還原型媒介傳遞到陽極，在通過外電路循環(huán)到達(dá)陰極形成電流，電子傳遞過程伴隨著三磷酸腺苷的產(chǎn)生，同時，細(xì)菌獲得生長和代謝所需的能量，在陽極上形成生物膜。在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，并在陰極催化劑存在條件下與氧氣和電子結(jié)合生成水。

1.2 電池結(jié)構(gòu)與材料

本實驗采用單室微生物燃料電池，陽極室尺寸為8cm×8cm×8cm，并用碳?xì)痔畛潢枠O室，用φ3cm 碳棒作為陽極，質(zhì)子交換膜采用Nafion117，兩極間距保持2cm，陰陽極用銅導(dǎo)線連接，陽極密封并保持厭氧環(huán)境。碳?xì)植捎?.5mol/L HCl 浸泡2h，再用0.5mol/L NaOH 浸泡2h，最后用去離子水洗滌。Nafion117 膜分別在80℃的30%H2O2、去離子水、0.5H2SO4、去離子水中各處理1h，電池外接1000Ω 恒電阻，在線馴化15d，混合菌種取自某中水處理站厭氧池，在此基礎(chǔ)上做溫度、濃度條件實驗。

1.3 模擬廢水的組成(表1)

表1 模擬廢水組成及配比

1.4 陰極組成

以硫酸鎳、硫酸鐵、高嶺土、石墨粉和聚四氟乙烯（60%的分散液）為陰極材料，按一定比例混合制成陰極。

1.5 實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理

將1.1、1.2、1.3 和1.4 所準(zhǔn)備的實驗材料進(jìn)行組裝，在線馴化15d 后，啟動燃料電池，分析不同溫度、不同葡萄糖濃度對MFC 產(chǎn)電性能及COD 去除率的影響。本實驗中通過UT803 數(shù)字萬用表自動每隔10min 采集一個電壓數(shù)據(jù)輸出至電腦。COD測定采用重鉻酸鉀法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對輸出電壓的影響

從圖1 可知，在35℃之前，MFC 最大輸出電壓隨著溫度的升高而升高；當(dāng)溫度到達(dá)在35℃之后，MFC 的最大輸出電壓隨溫度升高而下降。說明在35℃之前，產(chǎn)電微生物的活性隨溫度升高而增強。當(dāng)溫度達(dá)到35℃之后，產(chǎn)電微生物的活性開始下降。在25～35℃溫度范圍內(nèi)，MFC 輸出電壓隨溫度的升高（由0.459V（25℃）增至0.486V（35℃）），但是增加幅度并不大，說明產(chǎn)電微生物在的25～35℃溫度范圍內(nèi)具有很強的適應(yīng)能力，也說明溫度對MFC 產(chǎn)電的影響不是很明顯；而在運行溫度由35℃轉(zhuǎn)為40℃時，MFC 的輸出電壓出現(xiàn)了（由0.486V（35℃）下降到0.421V（40℃））較大程度的下降。主要原因是溫度的變化影響到陽極產(chǎn)電微生物的電化學(xué)活性，導(dǎo)致其傳遞電子效率變低，進(jìn)而使MFC 的電壓輸出性能降低。

圖1 不同溫度下MFC 輸出的穩(wěn)定電壓值

2.2 葡萄糖濃度對COD去除率的影響

從圖2 可知，葡萄糖的濃度越高，COD 的去除率越高，葡萄糖濃度為10mmol·L-1時，COD 去除率可高達(dá)46.11%，但是葡萄糖的濃度不能無限增大，因為葡萄糖的濃度越高，其COD液越高，微生物越難降解，特別是對于一些難降解的有高濃度機物，微生物是很難降解的。所以葡萄糖的濃度不是越高越好。

圖2 葡萄糖濃度和COD 去除率的關(guān)系

2.3 葡萄溶液pH對最大輸出電壓的影響

從圖3 可知，pH 值在7 左右時，MFC 的輸出電壓最大為0.486V，隨著pH 值的增大，MFC 的輸出電壓減小。隨著pH值的減少，MFC 的輸出電壓減小，所以葡萄溶液pH 值控制在7 左右較適宜。

圖3 葡萄溶液pH 值和最大輸出電壓的關(guān)系

2.4 葡萄糖溶液pH對COD去除率的影響

從圖4 可知，葡萄糖溶液的pH 值為7 的時候，COD 去除率最高為46.11%，COD 去除率會隨著pH 值增大和減小，出現(xiàn)降低。

圖4 葡萄溶液pH 值和COD 去除率的關(guān)系

3 結(jié)論

通過對單室空氣陰極燃料電池處理模擬廢水實驗的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的濃度、溫度會對MFC 的產(chǎn)電性能產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)葡萄糖濃度控制在10 mmol·L-1、pH 值為7、溫度控制在35℃時，其輸出電壓最大為0.486V，COD 去除率最高為46.11%。MFC 具有最佳的電化學(xué)性能。