颗粒活性炭改进阳极提升微生物燃料电池性能的研究

第18卷6期2010年12月应用基础与工程科学学报J0URNAL0FBASICSCIENCEANDENGINEERINGVo1．18，No．6Deeember2010文章编号：1005~930(2010)06-0877-009中图分类号：X703文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005~930．2010．06．001颗粒活性炭改进阳极提升微生物燃料电池性能的研究李凤祥，周启星，BaikunLi2(1．南开大学环境科学与工程学院，环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津300071；2．DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering，UniversityofConnecticut，USA，06269)摘要：微生物燃料电池(MFCs)的阳极是产电菌降解有机污染物并产电的场所，是微生物燃料电池性能提升的限制性因素之一，本研究通过改进阳极提升微生物燃料电池产电性能．试验采用了两种类型的微生物燃料电池，用作对比的常规炭布阳极微生物燃料电池(Carbon—MFCs)和用颗粒活性炭(GAC)改进阳极的微生物燃料电池(GAC．MFCs)，对比实验结果表明用GAC改进阳极可以有效提高微生物燃料电池功率输出：Carbon—MFCs在一个星期驯化后，输出电压稳定在300mV，最大功率密度到达200mW／m；GAC．MFCs需要较长驯化期，在一个星期驯化后，输出电压100mV，但在2000h后，输出电压稳定在380mV，阳极的改进使输出电压提高26．7％，最大输出功率密度达到560mW／m，提高了180％；颗粒活性炭的巨大比表面积增加了生物膜载体面积，提高了产电菌和协同参与产电菌总量，使库伦效率提高了3．4倍；颗粒活性炭的物理和电学特性使电池内阻降低38％．结果显示：使用颗粒活性炭作阳极可有效提高微生物燃料电池功率输出．关键词：颗粒活性炭；生物产电；微生物燃料电池；废水处理英国科学家Pottor在1911年观察到微生物能够产生电流，这一发现为20世纪末期使用微生物燃料电池(MicrobialFuelCells，MFCs)处理废水并同时发电的研究打下了基础，MFCs技术以其独特技术特点(污染物处理彻底，无需外部能源供给并可以回收电能)在解决能源与环境问题，建立节约型、循环型社会科研领域逐步得到重视．通常，MFCs由阴阳极两个反应室构成，产电微生物在阳极室中分解有机污染物(电子供体)，同时产生电子和氢离子，并通过外电路将电子转移到阴极室中，氢离子通过质子交换膜(ProtonExchangeMembrane，PEM)转移到阴极室，与在阴极室的电子受体结合，实现化学能到电能的转化，有机污染物得以去除．收稿13期：2008-12-01：修订日期：2009-04—14基金项目：863重点项目(2007AA061201)；美国UniversityofConnecticutLargeResearchGrant资助项目作者简介：李凤祥(1975一)，男，讲师．通讯作者：周启星(1963一)，男，教授，博士生导师．E·mail：zhouqx523@yahoo．com878应用基础与工程科学学报Vo1．18目前MFCs已经在结构、电极材料、产电菌种和反应机理等方面得到深入研究．MFCs结构是影响其性能的重要因素，科研人员根据不同试验目的设计出了阴阳极双反应室MFCs¨、单反应室MFCs、升流式MFCs、微型MFCs和一些具有特殊用途的MFCs等．阳极是微生物燃料电池性能提升的限制性因素，产电菌在微生物燃料电池阳极室将有机污染物分解并产电，阳极电极使用材料方面得到较多研究，如炭布阳极J，炭纸阳极，石墨刷阳极等等．产电菌是MFCs反应的生物催化剂，因此寻找高效产电菌株是提高MFCs的另一个关键因素，Geobactersu~rreduceJ，se口聊putrefaeiens[，Rhodoferaxferrireducens等被发现无需电子转移介体就可以把电子从微生物细胞运输到阳极，完成能量代谢以及生长繁殖，然而当MFCs用于有机废水处理时，混合菌种作为产电菌优点明显，如无需考虑菌种纯培养的生长条件、容易富集驯化．Logan等在研究中发现在分解有机污染物产生电能过程中，有多种菌种参与其中，不同菌种间存在协同作用¨，各类菌种作用不同，如部分细菌产生电子，部分细菌转移电子，其代谢产物也存在互为底物的现象，Logan认为产电菌(eleetrogens)这一概念只代表了具有产生电子能力的一类细菌，而实际MFCs产电过程需要有多种菌种参与协助才能完成，使用exoelectrogens一词更准确，因此阳极混合菌种生物量的适当增加是提高MFCs产电效率的一条途径．人们已经从呼吸作用和发酵作用等方面研究电子传递机理，详细过程仍不够清楚