不同電流工況下平板式微生物燃料電池生物膜及性能響應(yīng)特性.pdf

1、微生物燃料電池(MFC)是一種采用微生物為催化劑將有機(jī)廢水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,以其在處理廢水的同時可產(chǎn)出電能這一獨(dú)特的優(yōu)勢受到了國內(nèi)外研究者們廣泛的的關(guān)注。目前MFC功率密度還較低,還無法滿足未來實(shí)際應(yīng)用的需求。影響其功率密度的因素很多,如反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、電極材料、陽極生物膜、電子傳輸機(jī)制和操作參數(shù)等。與化學(xué)燃料電池相比,MFC生物膜及性能對變工況運(yùn)行條件下的響應(yīng)是較緩慢的生物電化學(xué)過程,工況的變化對陽極生物膜內(nèi)部的物質(zhì)傳輸及電池性

2、能都具有重要的影響,因此對運(yùn)行工況變化時MFC的生物膜及性能響應(yīng)研究具有重要的意義。
　　本文針對不同電流運(yùn)行工況,通過恒流源控制MFC實(shí)際運(yùn)行電流的大小,考查不同電流運(yùn)行工況時生物膜結(jié)構(gòu)及性能的響應(yīng)特性,具體包括不同恒電流、階梯電流和反極電流三種運(yùn)行工況。主要研究成果如下:
　　(1)對啟動完成后的MFC對比研究了不同恒電流工況下MFC陽極生物膜結(jié)構(gòu)及性能特性。實(shí)驗(yàn)中對100Ω啟動完成后的MFC分別加載0.75mA、4mA

3、、7.5mA、9mA電流運(yùn)行10天。研究結(jié)果表明,隨著MFC加載電流的增加,陽極生物膜內(nèi)活性生物量和胞外聚合物逐漸增加,陽極生物膜活性也逐漸增強(qiáng),同時陽極內(nèi)阻逐漸減小。與持續(xù)以100Ω電阻條件下運(yùn)行的電池對比,以9mA電流運(yùn)行后的MFC生物膜表面出現(xiàn)了明顯的多孔結(jié)構(gòu),有利于生物膜內(nèi)底物的傳入和產(chǎn)物的傳出,最終使得加載9mA電流的性能最佳,最大功率密度和最大電流密度分別達(dá)到2.6±0.2W·m-2和11.3±0.3A·m-2。
　　

4、(2)考慮到采用大電流長期運(yùn)行時MFC易發(fā)生反極,本文采用階梯電流(7.5mA/0.75mA;7.5mA/開路)運(yùn)行模式,研究了此工況下MFC陽極生物膜結(jié)構(gòu)及性能的響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明,采用7.5mA/0.75mA和7.5mA/開路兩種階梯電流運(yùn)行模式下MFC陽極生物膜活性生物量、生物膜活性和最大輸出功率密度(2.0W·m-2)均相近,但和以7.5mA的恒電流運(yùn)行的電池相比,陽極生物膜活性生物量和生物膜活性均降低,這也導(dǎo)致最大功率密度

5、下降15％。這說明持續(xù)加載恒定大電流運(yùn)行的MFC可維持較高的生物膜活性和功率輸出。
　　(3)由于MFC經(jīng)常發(fā)生反極現(xiàn)象,而長期處于反極條件下的MFC陽極生物膜可能會發(fā)生脫離,導(dǎo)致MFC陽極生物膜電化學(xué)活性和性能大大降低。因此,本文研究了反極電流條件下MFC陽極生物膜的響應(yīng)和產(chǎn)電特性。研究結(jié)果表明,隨著施加反極電流時間的增加,MFC最大功率密度呈逐漸減小的趨勢。當(dāng)施加的反極電流時間大于12h時,電池最大功率密度幾乎降至為零。當(dāng)電池