微小槽道內(nèi)產(chǎn)電菌成膜及其產(chǎn)電特性.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）作為一種新型的生物能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，是利用產(chǎn)電菌作為陽(yáng)極反應(yīng)的催化劑，將有機(jī)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。根據(jù)反應(yīng)器尺度來(lái)說(shuō)，微型化是微生物燃料電池的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，微型化之后可以作為微生物基礎(chǔ)研究的平臺(tái)或者用作新型便攜式電源驅(qū)動(dòng)微型傳感器、低能耗集成電路、可植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備及不便更換燃料的偏遠(yuǎn)地區(qū)電子設(shè)備，因此，得到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛重視。層流型微流體微生物燃料電池相對(duì)

2、于傳統(tǒng)的微型微生物燃料電池，去除了用于分隔陰陽(yáng)極的質(zhì)子交換膜，不但降低了成本，而且減小了電池內(nèi)阻，有利于提高電池的產(chǎn)電。然而，目前層流型微流體微生物燃料電池陽(yáng)極微小槽道內(nèi)產(chǎn)電菌成膜的機(jī)理研究有待深入，需要外部驅(qū)動(dòng)設(shè)備，嚴(yán)重限制了層流型微流體微生物燃料電池的發(fā)展。根據(jù)層流型微流體微生物燃料電池的成膜條件，本文構(gòu)建了微小槽道內(nèi)陽(yáng)極產(chǎn)電菌成膜反應(yīng)器，系統(tǒng)研究了不同啟動(dòng)條件下微小槽道內(nèi)產(chǎn)電菌的成膜及其產(chǎn)電特性，采用光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)觀測(cè)了陽(yáng)極產(chǎn)電菌

3、的整個(gè)成膜過(guò)程，采用掃描電子顯微鏡表征了成膜后產(chǎn)電菌生物膜的微觀形貌，并對(duì)成膜后生物膜的電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。此外，本文還提出了一種只依靠重力來(lái)驅(qū)動(dòng)陰陽(yáng)極液流動(dòng)的新型層流型微流體微生物燃料電池，實(shí)現(xiàn)了全被動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，研究了其啟動(dòng)特性，以及不同外阻、不同溫度、間斷反應(yīng)物供給條件下電池的電壓響應(yīng)特性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴不同陽(yáng)極液流量下產(chǎn)電菌附著成膜所需時(shí)間無(wú)明顯區(qū)別，但其成膜過(guò)程及成膜完成后形貌特征差異較大，電化學(xué)活性及產(chǎn)電

4、性能略有差別。在陽(yáng)極流量為100μL/min、200μL/min、800μL/min下產(chǎn)電菌成膜的啟動(dòng)時(shí)間都接近為45h。從數(shù)碼圖像和光學(xué)顯微鏡圖像可知，在較高陽(yáng)極液流量下，濃度邊界層較薄，生物膜附著量較多。此外，不同陽(yáng)極液流量下產(chǎn)電菌附著成膜呈現(xiàn)出差異較大的微觀形貌特征，陽(yáng)極液流量100μL/min下形成的生物膜疏松多孔，陽(yáng)極液流量200μL/min下形成的生物膜較為密集均勻，陽(yáng)極液流量升至800μL/min時(shí)生物膜更為厚實(shí)且在入口處

5、出現(xiàn)皸裂狀特征。較小陽(yáng)極液流量下產(chǎn)電菌成膜過(guò)程中底物供給不充分，故其產(chǎn)電性能及生物電化學(xué)活性較差。較大陽(yáng)極液流量下，產(chǎn)電菌成膜過(guò)程中底物供應(yīng)充足，但由于較大的剪切力導(dǎo)致生物膜附著厚實(shí)，底物在膜傳遞阻力增加，故陽(yáng)極液流量為200μL/min時(shí)產(chǎn)電菌所形成的生物膜生物電化學(xué)活性及產(chǎn)電性能及較好。⑵不同陽(yáng)極電位下產(chǎn)電菌附著成膜所需時(shí)間、成膜過(guò)程及成膜完成后形貌特征、電化學(xué)活性及產(chǎn)電性能均有明顯差別。在陽(yáng)極電位-50 mV、50 mV和150m

6、V(vs. Ag/AgCl)下，產(chǎn)電菌成膜所需的時(shí)間分別為35h、45h和47.5h。從數(shù)碼圖像和光學(xué)顯微鏡圖像可知，在較高陽(yáng)極電位下，生物膜附著量較少。此外，不同陽(yáng)極電位下產(chǎn)電菌附著成膜呈現(xiàn)出差異較大的微觀形貌特征，陽(yáng)極電位-50 mV下所形成的生物膜疏松多孔，陽(yáng)極電位50 mV下所形成的生物膜較為密集均勻，陽(yáng)極電位150 mV下生物膜呈現(xiàn)為較多胞外聚合物與產(chǎn)電菌形成網(wǎng)狀的微觀形貌。隨著啟動(dòng)過(guò)程施加陽(yáng)極電位的增大，產(chǎn)電菌轉(zhuǎn)移電子到電極

7、表面所獲得能量增高，電極表面上產(chǎn)電菌的附著成膜過(guò)程中轉(zhuǎn)移電子數(shù)量增加，生物膜在較大電流下形成，其生物電化學(xué)活性及產(chǎn)電性能也相應(yīng)較好。⑶重力驅(qū)動(dòng)式層流型微流體微生物燃料電池啟動(dòng)時(shí)間較短僅為90h，由于入口段效應(yīng)及陰極液的擴(kuò)散混合沿流動(dòng)方向不斷增強(qiáng)，陽(yáng)極生物膜附著量沿電極液流動(dòng)方向遞減。啟動(dòng)完成后，測(cè)試了電池在不同外阻、溫度和底物間斷供給條件下的電壓響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該電池在這幾種條件下電壓響應(yīng)較為迅速，而且輸出電壓穩(wěn)定。該層流型微流體微生