微生物燃料電池陽極活性菌及其對功率密度曲線回折的影響.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFCs)是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型燃料電池技術(shù)。由于其可以在降解污染物的同時回收到電能，而受到環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。目前，MFCs研究中較為重要的一個問題是如何克服某些生物和非生物因子對功率輸出的制約，從而提高系統(tǒng)的效能。這些限制因子往往通過MFCs的內(nèi)阻（Rin）、電容或者電極的阻抗反映出來。本文圍繞著微生物燃料電池體系運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)的功率密度曲線回折現(xiàn)象，分析了這

2、種現(xiàn)象的發(fā)生與反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)阻力的相關(guān)性，反應(yīng)器內(nèi)部傳質(zhì)主要與構(gòu)型、電極材料、緩沖液濃度、底物濃度（電子供體、電子受體）、攪拌速度、微生物催化劑相關(guān)。本文在反應(yīng)器構(gòu)型和電極材料確定的情況下，研究底物濃度、攪拌速度對功率密度曲線回折現(xiàn)象的影響，探討功率密度曲線回折發(fā)生的原因。進而，分別通過混合菌群和純菌構(gòu)建反應(yīng)器，分析電極活性微生物對微生物燃料電池體系內(nèi)傳質(zhì)的影響。
　　針對混合菌群構(gòu)建的微生物燃料電池體系，在不同溫度(15℃和25

3、℃)下雙室微生物燃料電池陽極形成生物膜后，將15oC(低溫)反應(yīng)器切換到25℃（室溫），與室溫反應(yīng)器的產(chǎn)電性能和傳質(zhì)變化相比，發(fā)現(xiàn)低溫反應(yīng)器能夠穩(wěn)定產(chǎn)電，且切換到室溫后仍能穩(wěn)定產(chǎn)電。但是，將室溫反應(yīng)器切換到低溫則不然。通過交流阻抗分析表明，低溫形成的生物膜極化內(nèi)阻較低?？寺∥膸旆治鲭姌O微生物群落顯示，低溫下形成的生物膜中耐寒微生物的存在對于生物膜能夠在室溫和
　　低溫下穩(wěn)定產(chǎn)電起主導(dǎo)作用，提出了東北地區(qū)低溫啟動反應(yīng)器的適應(yīng)溫度變化

4、的啟動策略。
　　為了進一步探究純菌構(gòu)建的微生物燃料電池體系中陽極活性菌對傳質(zhì)阻力的影響，首先分離到三株典型陽極活性菌，通過形態(tài)觀察、生理生化、脂肪酸鑒定、16SrRNA基因的分子生物學(xué)鑒定等分析，表明三株菌分別屬于檸檬酸桿菌屬(Citrobacter sp.）、土桿菌屬(Geobacter sp.)、梭菌屬(Clostridium sp.)。利用三株菌分別啟動雙室微生物燃料電池，均能夠穩(wěn)定產(chǎn)電。通過交流阻抗分別測定全電池、陽極和

5、陰極，分析微生物燃料電池體系內(nèi)的傳質(zhì)變化，結(jié)果顯示電池的主要傳質(zhì)阻力來自于陽極。
　　本研究運行雙室微生物燃料電池時，穩(wěn)定運行五個批次循環(huán)后，通過線性掃描伏安（LSV）測定電池的極化曲線繪制功率密度曲線顯示出功率密度曲線回折現(xiàn)象，開路電壓0.67V，在電壓0.46V時電流密度為1045mA/m2時達到最大功率密度486mW/m2，然后發(fā)生功率密度曲線回折現(xiàn)象。陽極反應(yīng)被確定為主要影響因素。擾動陽極液沒有顯著地增加電池性能，認為從陽