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不同类型阴极微生物燃料电池产电性能的比较 * 印霞棐刘维平吴玺姜璐袁霞静王恩茹 江苏理工学院 化学与环境工程学院， 江苏 常州 213001 摘要 微生物燃料电池 MFC 是一种利用微生物新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置。实验以石墨为电极材 料， 有机废水为阳极底物， 以厌氧活性污泥为厌氧菌种， 阴极室分别接种驯化后的好氧生物污泥、 厌氧生物污泥、 含铜 废水、 FeCl3溶液， 构建了双室 MFC 并比较了 4 种 MFC 的产电性能。结果表明 连续流状态下， 好氧生物阴极 MFC 产 电性能略优于厌氧生物阴极 MFC; 间歇流好氧生物阴极 MFC 其最大电流密度是连续流好氧生物阴极 MFC 的 1. 38 倍。间歇流状态下， FeCl3溶液为阴极液 MFC 产电性能略优于以含铜废水为阴极液的 MFC。连续流状态下， 以含铜废 水为阴极液 MFC 产电性能远远高于连续流生物阴极 MFC。 关键词 微生物燃料电池; 生物阴极; 含铜废水; FeCl3溶液; 产电性能 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407009 THE COMPAＲISON OF ELECTＲICITY GENEＲATION FＲOM DIFFEＲENT CATHODES OF MICＲOBIAL FUEL CELLS Yin XiafeiLiu WeipingWu XiJiang LuYuan XiajingWang Enru School of Chemistry and Environmental Engineering， Jiangsu University of Technology， Changzhou 213001 AbstractMicrobial fuel cell MFCis a device converting chemical energy into electricity with the microbial metabolism． Graphite was used as electrode materials，organic wastewater was used as substrate，anaerobic activated sludge was used as anaerobic bacterial source． Domesticated aerobic sludge，anaerobic sludge，copper- contained wastewater and FeCl3solution were used as cathode，respectively． Double chamber MFCs were constructed to study the electricity generation． The results showed that under the continuous- flow condition，the electricity production of aerobic bio- cathode MFC was better than that of anaerobic bio- cathode MFC． The maximum current density of intermittent- flow aerobic bio- cathode MFC was 1. 38 times of continuous- flow aerobic bio- cathode MFC． Under the intermittent- flow condition，the electricity production of FeCl3solution as catholyte MFC was slightly better than copper- contained wastewater． Under the continuous- flow condition，the electricity production of copper- contained wastewater as catholyte MFC was much higher than that of continuous- flow bio- cathode MFC． Keywordsmicrobial fuel cell MFC ;biological cathode;copper- contained wastewater;FeCl3solution;production of electricity * 江苏省自然科学基金项目 BK20131133 ; 常州市国际科技合作项目 CZ20120016 。 收稿日期 2013 －09 －19 0引言 微生物燃料电池 microbial fuel cell， 简称 MFC 是利用微生物的新陈代谢作用将废水中的化学能转 变成电能的装置 ［1 ］。阳极上的微生物降解有机物产 生电子和质子。产生的电子传递到阳极， 经外电路到 达阴极， 由此产生外电流。质子通过质子交换膜到达 阴极， 在阴极与电子和氧气等氧化性物质等发生还原 反应， 从而完成电池内部电荷的传递［2- 3 ］。 大多数 MFC 的阴极为化学阴极， 在阴极室接种 好氧菌并保持好氧环境， 好氧菌附着在阴极材料表面 形成生物膜， 这就是生物阴极 MFC［4- 8 ］。研究发现， 可溶性阴极电解液如铁氰化物［9- 11 ］、 高锰酸盐 ［12- 13 ］的 使用可大大提高 MFC 的产电性能。 本研究采用双室 MFC 反应器， 以模拟废水为阳 极基质， 以厌氧活性污泥为阳极菌种， 比较了生物阴 极 MFC、 以含铜废水为阴极液的 MFC、 以 FeCl3溶液 为阴极液的 MFC 的产电性能。 63 环境工程 Environmental Engineering 1实验部分 1. 1实验装置 实验采用双室 MFC， 如图 1 所示。阳极室与阴 极室均为聚乙烯制成的圆柱形容器， 阳极室密封， 保 持厌氧环境。单个极室的容积为 250 mL， 实验有效 容积为 200 mL。两极室之间由经过预处理的阳离子 交换膜 CEM 隔离。阳极和阴极材料均为石墨， 两 极间用导线相连， 并接入 0 ～9 999 Ω 的负载电阻箱。 图 1双室 MFC 装置示意 Fig． 1The schematic diagram of two- chamber MFC 1. 2实验材料与过程 厌氧菌种取自污水处理厂的二沉池， 将其过滤、 沉淀后保存在厌氧环境下， 阳极污泥接种量为 50 mL。 阳极底物为模拟生活污水 葡萄糖、 磷酸二氢钾、 三 水合乙酸钠、 磷酸氢二钾、 硫代硫酸铵、 柠檬酸三铵、 六亚甲基四胺、 乙二胺四乙酸二钠、 去离子水 ， ρ COD 约为 900 mg/L。 阴极室分别接种驯化后的好氧生物污泥、 厌氧生 物污泥 以溶解的 CO2为电子受体［14 ］ 、 含铜废水、 FeCl3溶液。MFC 反应器在室温下运行。 1. 3评价方法 通过电流密度 IAn来表征 MFC 的产电性能， 计算 式见式 1 。 IAn I/AAn 1 式中 IAn为电流密度， mA/m2; I 为电流值， A; A An为阳 极有效面积， m2。 2结果与分析 2. 1生物阴极 MFC 产电性能的比较 实验构建了连续流好氧生物阴极 MFC 和连续流 厌氧生物阴极 MFC， 模拟废水连续供给阳极室， 阳极 出水作为阴极进水。实验同时比较了连续流与间歇 流生物阴极 MFC 的产电性能， 结果见图 2。 图 2 表明 MFC 的产电过程包括上升期、 平稳期 和下降期。接种后， MFC 开始缓慢产电， 由于厌氧菌 接种到废水中， 不能立即繁殖， 需经一段适应期才能 在新的环境中生长并降解有机物。随后电压逐渐变 大， 这一阶段由于营养物质足以供给微生物生长繁 殖， 细胞代谢活力增强， 生长旺盛， 而有毒的代谢产物 积累不多， 对生长繁殖影响极小， 细菌生长速率不断 增大。当细菌细胞质的合成速率与活菌数的增加速 率一致时， MFC 的产电进入稳定期， 反应持续一段时 间后， 由于底物被逐渐降解， 代谢产物大量积累， 产电 73 水污染防治 Water Pollution Control 图 2 MFC 的电流密度随时间变化 Fig．2Current density of MFC changes with time 菌群因营养物被逐渐消耗， 电流密度逐渐减小。 连续流状态下厌氧生物阴极 MFC 其最大电流密 度为 0. 23 mA/m2， 好氧生物阴极 MFC 其最大电流密 度为 0. 29 mA/m2， 产电性能略优于厌氧生物阴极 MFC， 可能原因是 好氧菌附着在阴极石墨棒表面形 成生物膜， 可通过生物电化学反应提高氧的还原速 率， 具有良好的催化作用。间歇流好氧生物阴极 MFC 其最大电流密度为 0. 40 mA/m2， 是连续流好氧 生物阴极 MFC 的 1. 38 倍。连续流 MFC 产生的电能 始终低于间歇流 MFC。产生这种情况的原因可能 是 间歇流 MFC 的微生物经过 30 h 的适应期后， 生 长繁殖速度与其死亡速度相等并逐渐变为正增长， 并 持续产电; 而连续流 MFC， 由于微生物不断要接触新 的废水， 生长环境发生变化， 产电微生物需要适应新 的环境， 导致产电能力减弱［15 ］。 2. 2不同阴极液 MFC 产电性能的比较 实验分别构建了以含铜废水 硫酸铜废水 为阴 极液、 以 FeCl3溶液为阴极液的间歇流 MFC 阴极室 密封 ， 两者产电性能比较见图 3。 图 3 MFC 的电流密度随时间变化 Fig．3Current density of MFC changes with time 图 3 表明 以含铜废水为阴极液时， 其最大电流 密度为 0. 52 mA/m2; 以 FeCl3溶液为阴极液时， 其最 大电流密度是 0. 59 mA/m2， 产电性能略优于以含铜 废水为阴极液的 MFC。这种情况的可能原因是 三 氯化铁的氧化性强于硫酸铜， 获得电子能力较强， 更 易与从阳极室产生的电子结合， 产电能力更强。 2. 3生物阴极与非生物阴极 MFC 产电性能的比较 实验比较了连续流生物阴极 MFC 与连续流处理 含铜废水 MFC 的产电性能。结果见图 4。 图 4 MFC 的电流密度随时间变化 Fig．4Current density of MFC changes with time 图 4 表明 以含铜废水为阴极液的连续流 MFC 的最大电流密度为 0. 63 mA/m2， 是连续流好氧生物 阴极 MFC 的 2. 17 倍， 是连续流厌氧生物阴极 MFC 的 2. 74 倍， 其产电性能远远高于连续流生物阴极 MFC。可能原因是 CuSO4的氧化性强于氧气， 氧气 的氧化性强于 CO2， 氧化性越强， 获得电子能力较强， 更易于与电子结合， 产生电流。 3结论 1 生物阴极 MFC、 以含铜废水 CuSO4废水 为 阴极液、 以 FeCl3溶液为阴极液的 MFC 均能产电。 2 连续流 MFC 产生的电能始终低于间歇流 MFC。连续流状态下厌氧生物阴极 MFC 其最大电流 密度为 0. 23 mA/m2， 好氧生物阴极 MFC 其最大电流 密度为 0. 29 mA/m2， 产电性能略优于厌氧生物阴极 MFC。间歇流好氧生物阴极 MFC 其最大电流密度为 0. 40 mA/m2， 是连续流好氧生物阴极 MFC 的1. 38 倍。 3 间歇流状态下， 以含铜废水为阴极液时， 其最 大电流密度是 0. 52 mA/m2; 以 FeCl3溶液为阴极液 时， 其最大电流密度是 0. 59 mA/m2。 4 连续流状态下， 以含铜废水为阴极液的连续 流 MFC 的最大电流密度为 0. 63 mA/m2， 其产电性能 83 环境工程 Environmental Engineering 远远高于连续流生物阴极 MFC。 参考文献 ［1］Bruce L，Shaoan C， Valerie W， et al． Graphite fiber brush anodes for increased power production in air- cathode microbial fuel cells ［J］．Environmental Science ＆ Technology，2007，41 17 3341- 3346. ［2］温青，吴英，王贵领，等． 双极室联合处理啤酒废水的微生物 燃料电池［J］． 高等学校化学学报， 2010， 31 6 1231- 1234. ［3］关毅，张鑫． 微生物燃料电池［J］ ． 化学进展，2007，19 1 74- 79. ［4］Wu X，Zhao F，Ｒahunen N，et al． A role for microbial palladium nanoparticles in extracellular electron transfer［J］ ．Angewandte Chemie International Edition， 2011， 50 427- 430. ［5］陈立香，肖勇，赵峰． 微生物燃料电池生物阴极［J］． 化学进 展， 2012， 24 1 157- 162. ［6］Kontani Ｒ，Tsujimura S，Kano K． Air diffusion biocathode with CuO aselectrocatalystadsorbedoncarbonparticle- modified electrodes［J］． Bioelectrochemistry， 2009， 76 10- 13. ［7］吴夏芫，宋天顺，支银芳，等． 小球藻生物阴极型微生物燃料 电池的基础特性［ J］ ． 过程工程学报， 2012， 12 1 131- 135. ［8］谢珊，陈阳，梁鹏，等． 好氧生物阴极型微生物燃料电池的同 时硝化和产电的研究［J］ ． 环境科学，2010，31 7 1601- 1606. ［9］Zhen He，Shelly D M，Largust A．Electricity generation from artificial wastewater using an upflow microbial fuel cell［J］． Environ Sci Technol， 2005， 39 5262- 5267. ［ 10］张翠萍，刘广立，张仁铎，等． 喹啉和吡啶共存条件下的 MFC 产电特性研究［J］． 环境科学学报， 2010， 30 7 1372- 1376. ［ 11］赵世辉，李友明，万小芳，等． 木质素磺酸盐在微生物燃料电 池中的降解及产电性能研究［J］． 环境工程学报，2011，5 7 1647- 1650. ［ 12］詹亚力，王琴，闫光绪，等． 高锰酸钾作阴极的微生物燃料电 池［J］． 高等学校化学学报， 2008， 29 3 559- 563. ［ 13］You S J，Zhao Q L，Zhang J N，et al． A microbial fuel cells using permanganate as the cathodic electron acceptor ［J］．Power Sources， 2006， 162 2 1409- 1415. ［ 14］Cao X X，Huang X，Liang P，et al． A completely anoxic microbial fuel cell using a photo- biocathode for cathodic carbon dioxide reduction［J］． Energy ＆ Environmental Science，2009，2 5 498- 501. ［ 15］Huang J S，Yang P，Guo Y，et al． Start- up of a continuous flow MFCandbio- particles ation ［J］．JournalofChemical Engineering of Chinese Universities， 2010， 24 4 694- 699. 第一作者 印霞棐 1990 － ， 女， 硕士研究生， 主要研究方向为环境生 物技术。s08332104 smail． jsut． edu． cn 通讯作者 刘维平 1965 － ， 男， 博士， 教授， 主要从事环境生物技术方 面的研究工作。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 wpliu outlook． com 上接第 130 页 500 kg/h， 土壤的湿度为 10 ～ 20、 燃烧温度为 550 ℃、 滚筒转速为 1. 0 r/min， 处理后土壤达到 GB 156181995 第三级标准值。 2 排放的废气符合 DB 44272001 第二时段 标准。 3 实现对有机物污染的土壤净化的目的， 有助 于土壤修复技术的应用走向设备化、 市场化和产 业化。 参考文献 ［1］钱暑强， 刘铮． 污染土壤修复技术介绍［J］ ． 化工进展， 2000， 19 4 10- 12． ［2］田晋跃， 刘刚． 土壤污染修复工程技术装备初探［J］． 工程机 械， 2003， 34 12 33- 37． ［3］龚佰勋． 环保设备设计手册固体废物处理设备［M］ ． 北京 化 学工业出版社， 2004． ［4］王琪． 工业固体废物处理及回收利用［ M］ ． 北京 中国环境科学 出版社， 2006． ［5］高翔云， 汤志云， 李建和， 等． 国内土壤环境污染现状与防治措 施［J］． 环境保护， 2006 4 50- 53． ［6］潘永刚， 石云峰， 胡继波， 等． 一种土壤修复方法 中国， ZL 20120015621. 8［P］． 2013． ［7］潘永刚， 石云峰， 胡继波， 等． 一种土壤修复系统 中国， ZL 20120015615. 2［P］． 2013． ［8］国家环境保护部 污染场地土壤修复技术导则 征求意见 稿［Z］． 上海市环境科学研究院和环境保护部南京环境科学 研究 所 等，2009． http / /www． zhb． gov． cn/gkml/hbb/bgth/ 200912/t20091223_183351． htm． ［9］王瑛， 李扬， 黄启飞， 等． 温度和停留时间对 DDT 污染土壤热脱 附效果的影响［J］． 环境工程， 2012， 30 1 116- 120． ［ 10］周霞， 刘云彪， 李辉． 石油污染土壤综合修复治理方法研究 ［J］． 环境工程， 2013， 31 4 105- 108． 第一作者 潘永刚 1965 － ， 男， 所长， 高级工程师， 主要从事轻化工 艺、 环保装备领域的研究。Lpyg vip． tom． com 第二作者 石云峰 1968 － ， 男， 总经理， 高级工程师， 主要从事环保工 程、 环保设备领域的研究。 93 水污染防治 Water Pollution Control