高效双室微生物燃料电池的运行特性_张永娟

技术进步0引言微生物燃料电池（简称MFC）是利用微生物的催化作用,将燃料（有机物质）的化学能直接转化为电能的一种生物电化学装置。MFC可以在氧化有机物的同时产电,尤其适用于废水处理领域。在环境污染日益加剧和能源紧张的今天，MFC正在引起世界范围内研究人员的广泛关注。近些年，Bond等发现在海底的沉积物中存在一种细菌可不需要电子转移中介体直接氧化有机物，如果利用导线将电子导出，可以获得连续的电流，此外，人们发现微生物可以自身产生一些转移电子传递体来促进电子向电极表面的转移,如Shewanellaputrefaciens，Pseudomonasaeruginosa，这样就不需要在微生物燃料电池中投加一些具有低电位的物质作为微生物传递电子的中介体。Liu等提出的单极室空气阴极型MFC,直接将阴极暴露在空气中；He等构建了升流式MFC；Logan等采用石墨纤维束阳极构建的MFC；曹效鑫等提出了一种将阳极、质子交换膜和阴极热压在一起的“三合一”膜电极形式的MFC。目前，MFC的阴极电子受体主要分为液相阴极和空气阴极两种类型。液相阴极MFC的阴极反应在溶液中进行，传质和反应阻力小，所以这种形式的电池通常可得到较高的功率输出率，但最大缺点是需要不断地向阴极补充电解液，而且阴极产物可能带来二次污染。阴极的反应特性是限制MFC整体功率输出，为了提高MFC的功率输出和整体效能，需要采取一定的措施尽可能地降低阴极的某一种、两种或三种损失；另外，限制MFC工程化和商业化应用的因素除了阴极的性能有待提高以外，更重要的是催化剂的造价过于昂贵，大大增加了MFC的基建投资。针对以上电池缺陷,本实验使用电镀废水作阴极电解液，不但省去阴极液的耗材，还能处理废水并着重回收重金属单质进行废物再利用。1试验装置与方法1.1双室MFC的基本结构双室微生物燃料电池基本装置如图1所示。本试验电池阳极室和阴极室均为有机玻璃制成的圆柱形，单个极室的内径为10cm，高为10cm，有效容积均为600mL。两个极室用一个有机玻璃的圆形管（内径为8cm）连接，中间由质子交换膜（PEM）隔开，既可以将氧气与细菌分开，又不影响质子的传递。阳极室为密封厌氧，上端设有取样口，且用磁力加热搅拌器对阳极室内的混合液进行连续搅拌，以保证营养物质和厌氧污泥中的微生物充分混合。阳极和阴极分别置于两极室中，两极间用铜导线连接，高效双室微生物燃