微生物燃料电池启动过程的电化学行为-殷瑶

华东理工大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．４０Ｎｏ．２２０１４－０４收稿日期：２０１３－１１－１１基金项目：国家自然科学基金（５１０７８１４４）作者简介：殷瑶（１９８６－），女，江西人，博士生，研究方向为环境电化学。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｎｇｙａｏ０００＠１６３．ｃｏｍ通信联系人：黄光团，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｔｈｕａｎｇ＠ｅｃｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ文章编号：１００６－３０８０（２０１４）０２－０１９０－０６微生物燃料电池启动过程的电化学行为殷瑶，黄光团，陈建文，刘勇弟（华东理工大学资源与环境工程学院，上海２００２３７）摘要：构建了以初沉池污水接种、铁氰化钾作为阴极液的典型Ｈ型无介体微生物燃料电池（ＭＦＣ），考察了ＭＦＣ在启动过程中的电化学行为。结果表明：在启动期间，ＭＦＣ开路电压比闭路电压提前达到稳定，电池内阻的变化决定了ＭＦＣ的启动过程。铁氰化钾阴极电位的变化幅度较小，阳极电位的降低幅度远大于阴极电位，启动过程电压的变化由阳极电位主导。启动中的电化学阻抗谱（ＥＩＳ）分析表明，电池电荷转移内阻随着启动过程的进行呈现不断下降的趋势，反映了ＭＦＣ阳极产电微生物的繁殖与驯化过程。关键词：微生物燃料电池；启动；电压；电化学阻抗谱；阳极生物膜中图分类号：Ｘ７０３．１文献标志码：ＡＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＢｅｈａｖｉｏｒｏｆＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｕｅｌＣｅｌｌｉｎａＳｔａｒｔ－ｕｐＰｈａｓｅＹＩＮＹａｏ，ＨＵＡＮＧＧｕａｎｇ－ｔｕａｎ，ＣＨＥＮＪｉａｎ－ｗｅｎ，ＬＩＵＹｏｎｇ－ｄｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｂｅｈａｖｉｏｒｏｆａｔｙｐｉｃａｌＨ－ｔｙｐｅｍｅｄｉａｔｏｒｌｅｓｓｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌ（ＭＦＣ），ｗｈｉｃｈｗａｓｉｎｏｃｕｌａｔｅｄｂｙｔｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔｏｆａｐｒｉｍａｒｙｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｔａｎｋｕｓｉｎｇｐｏｔａｓｓｉｕｍｆｅｒｒｉｃｙａｎｉｄｅａｓｃａｔｈｏｌｙｔｅ，ｉｎｔｈｅｓｔａｒｔ－ｕｐｐｈａｓｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅｐｒｏｃｅｅｄｅｄｔｈｅｃｌｏｓｅｄｏｎｅｉｎａｓｔａｒｔ－ｕｐｐｈａｓｅｗｈｉｃｈｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅｓｔａｒｔ－ｕｐｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｐｏｔａｓｓｉｕｍｆｅｒｒｉｃｙａｎｉｄｅｃａｔｈｏｄｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｗａｓｓｍａｌｌｅｒｔｈａｎｔｈｅａｎｏｄｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ａｎｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆＭＦＣｖｏｌｔａｇｅｗａｓｄｏｍｉｎａｔｅｄｂｙｔｈｅａｎｏｄｅ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ＥＩＳ）ｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｈａｒｇｅｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｒｅｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｓｔａｒｔ－ｕｐｐｈａｓｅ，ｗｈｉｃｈｒｅｆｌｅｃｔｅｄｔｈｅｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｉｇｅｎｓｉｎＭＦＣａｎｏｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｉａｌｆｕｅｌｃｅｌｌ；ｓｔａｒｔ－ｕｐ；ｖｏｌｔａｇｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ａｎｏｄｅｂｉｏｆｉｌｍ微生物燃料电池（ＭｉｃｒｏｂｉａｌＦｕｅｌＣｅｌｌ，ＭＦＣ）是燃料电池的一种，它依靠微生物作为阳极催化剂，不仅可以直接降解水中或者污泥中的有机物，同时能够将微生物代谢有机物过程中产生的电子转化成电流，由此获得电能［１－２］。目前，ＭＦＣ的研究主要集中在电池的稳定产电阶段，寻找合适的阴、阳极材料，分隔材料，对反应器进行放大，研究提高ＭＦＣ产电性能的途径［３－５］，而针对ＭＦＣ启动过程中电化学行０９１DOI:10.14135/j.cnki.1006-3080.2014.02.007为的变化情况报道很少。ＭＦＣ的启动过程是指电池从开始运行到稳定产电的过程，与阳极上产电菌的驯化富集密切相关［６］，将影响其污水处理效率及后续产电能力。对于纯菌接种ＭＦＣ，文献［７］发现可以在３ｄ之内启动完成，达到９６．８％的库仑效率。混合菌接种的ＭＦＣ所需的启动时间往往较长，从数小时