微生物燃料電池陽極生物膜的保護(hù)與功率輸出的優(yōu)化研究.pdf

1、微生物燃料電池（MFC）是一種利用電活性微生物氧化降解有機(jī)小分子，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。近年來，關(guān)于MFC的理論基礎(chǔ)研究已取得了巨大的進(jìn)展，然而其實(shí)際應(yīng)用，特別是污水處理，還受到了極大的限制。一方面，當(dāng)溶液中氧含量增大時(shí)，MFC陽極的厭氧電活性微生物的生物電化學(xué)活性會受到嚴(yán)重抑制甚至完全失去。因此，MFC技術(shù)難以與傳統(tǒng)的好氧污水處理技術(shù)相融合。另一方面，MFC的輸出不穩(wěn)定，單個(gè) MFC容易產(chǎn)生功率驟降，而且串聯(lián)MFC電池組容易

2、發(fā)生電壓反轉(zhuǎn)，嚴(yán)重降低MFC的功率輸出。針對上述問題，本論文一方面采用物理交聯(lián)的聚乙烯醇（PVA）水凝膠對電活性微生物膜進(jìn)行保護(hù)，以提高其耐氧性能；另一方面開發(fā)具有高電容的多孔碳泡沫（CF）材料作為MFC的陽極，以消除MFC的功率驟降和電壓反轉(zhuǎn)，提高M(jìn)FC的功率輸出。
　　第一部分以炭黑修飾的不銹鋼網(wǎng)作為陽極，在其上生長電活性微生物膜形成生物陽極；接著采用液氮冷凍/解凍物理交聯(lián)的 PVA對生物陽極進(jìn)行包裹固定，制備水凝膠微生物陽極

3、。掃描電子顯微鏡（SEM）形貌表征顯示，液氮冷凍/解凍制備的PVA凝膠內(nèi)部呈現(xiàn)規(guī)則的管狀結(jié)構(gòu)。MFC全電池性能測試顯示，基于PVA水凝膠生物陽極的MFC可產(chǎn)生的最大電流密度為1.40 mA cm-2，功率密度為1200 mW m-2，與未包裹凝膠的不銹鋼網(wǎng)電極的產(chǎn)電性能相近。生物陽極的耐氧性能測試顯示，在曝純氧的條件下，水凝膠生物陽極的電活性沒有受到很大影響，以其構(gòu)建的MFC的功率輸出也基本保持不變；而沒有水凝膠包裹的生物陽極，其電活性

4、則急劇降低，這說明水凝膠生物陽極具有優(yōu)異的耐氧性能。水凝膠生物陽極的耐氧性能主要?dú)w功于 PVA水凝膠降低了氧氣擴(kuò)散速率，阻礙了氧氣向電活性生物的擴(kuò)散。
　　第二部分采用高溫炭化三聚氰胺泡沫制備了柔性炭泡沫（CF）。CF具有較大的孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)，有利于電活性微生物的生長。以900℃炭化的厚度為4 mm的碳泡沫（簡稱CF-900-4）作為陽極，可產(chǎn)生4.2 mA cm-2的電流密度?；贑F-900-4陽極和空氣陰極的組成的MFC，

5、其功率密度高達(dá)3100 mW cm-2。此外，CF具有優(yōu)異的機(jī)械性能，能夠替代傳統(tǒng)剛性的炭基材料，為MFC的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。
　　第三部分研究了電容型電極對MFC的功率驟降和其在串聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的電壓反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的影響。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn) CF-900不僅是一種性能優(yōu)異的 MFC陽極材料，還是一種出色的電容材料。充放電測試結(jié)果顯示 CF-900的比電容值高達(dá)111 F g-1。將CF-900-4與空氣陰極組裝成MFC后發(fā)現(xiàn)單個(gè)電池不會發(fā)生功率