生物阴极微生物燃料电池产电性能的研究

1、第26卷󰀁第1期中国给水排水Vo.l26No.1󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年1月CHINAWATER&WASTEWATERJan.2010生物阴

2、极微生物燃料电池产电性能的研究钟登杰,󰀁黄󰀁霞,󰀁梁󰀁鹏,󰀁夏󰀁雪(清华大学环境科学与工程系,北京100084)󰀁󰀁摘󰀁要:󰀁构建了一个生物阴极微生物燃料电池,研究了外阻、基质初始浓度、缓冲溶液对微生物燃料电池产电性能的影响。结果表明:当外阻󰀁50󰀁时,微生物燃料电池能稳定运行,其库仑效率随着外阻的减小而增大;微生物燃料电池稳定运行的时间随着基质初始浓度的增大而增加,但库仑效率随着基质浓度的增大而减小;缓

3、冲溶液能提高微生物燃料电池的输出电压和库仑效率,使溶液的pH保持在中性附近,有利于微生物的生长。󰀁󰀁关键词:󰀁微生物燃料电池;󰀁生物阴极;󰀁输出电压;󰀁库仑效率;󰀁外阻;󰀁基质浓度;󰀁缓冲溶液中图分类号:X505󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁文章编号:1000-4602(2010)01-0009-04StudyonElectricityGenerationfromBio-cathodeMicrob

4、ialFuelCellZHONGDeng-jie,󰀁HUANGXia,󰀁LIANGPeng,󰀁XIAXue(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)󰀁󰀁Abstract:󰀁Theeffectofexternalresistance,initialsubstrateconcentrationandbuffersolutionontheelectricitygenerati

5、onfromabio-cathodemicrobialfuelcell(MFC)wasstudied.TheresultsshowthattheMFCcanoperatestablywhentheexternalresistanceisequaltoorabove50󰀁.Thecoulombeff-iciencyincreaseswhentheexternalresistancedecreases.TheMFCcanoperatelongerwhentheinitialsubstrateconcentrationishigher.Thecoulombefficiencydecr

6、easeswhiletheinitialsubstrateconcentra-tionincreases.ThebuffersolutioncanimproveoutputvoltageandcoulombefficiencyoftheMFC.ThesolutionpHvalueiskeptneutra,lwhichisoptimalformicrobialgrowth.󰀁󰀁Keywords:󰀁microbialfuelcel;l󰀁bio-cathode;󰀁outputvoltage;󰀁coulom

7、befficiency;󰀁externalresistance;󰀁substrateconcentration;󰀁buffersolution󰀁󰀁随着环境问题和能源危机的日益严重,微生物燃料电池(MFC)作为一项新型的污水处理和能源回收技术引起了国内外广大研究者的关注,并对MFC的产电机理、产电微生物、电子传递机理、反应15器结构、电极材料等进行了广泛的研究。有研究表明,影响MFC产电的主要因素有:产电微生物、外阻、基质种类和浓度、溶液的pH、温度、缓冲溶液等6、7。为了更好地研究阳极,微生物燃料电池的阴极大多采用

8、非生物阴极,如在阴极添加Pt作为氧气还原的催化剂以及采用过渡金属(Fe或者Co)化810合物、铁氰化钾溶液等。虽然非生物阴极具有良好的产电性能,但也存在催化剂价格昂贵、容易失󰀁󰀁基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2006AA062329);󰀁科技部国际科技合作计划项目(2006DFA91120);󰀁中国博士后科学基金资助项目(20080440375)第26卷󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁♦

9、41;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁中国给水排水󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁池(进水COD为400mg/L,pH值为7.03),结果表明:随着外阻的减少,输出电压降低;当外阻󰀁50󰀁时MFC能稳定运行;当外阻为25󰀁和10󰀁时,输出电压变得不稳定。这是由于当外阻较大时M

10、FC的电流较小,此时电子在阴极上的消耗速率小于其在阳极上的生成速率,外阻成为整个反应的限制性步骤;当外阻为25和10󰀁时MFC的电流较大,质子或者氧气的供应可能成为限制性步骤,从而使得输出电压变得不稳定。如无特别说明,后面的试验都是在外阻为50󰀁的条件下进行。库仑效率(CE)是衡量MFC产电性能的一个主要指标。基质降解过程中所产生的电子只有一部分通过负载达到阴极并被利用,另外一部分可能被用来还原其他物质(如硝酸盐、硫酸盐等)。测定显示,随着外阻的减小则库仑效率增大(见图2)。当MFC的外阻较高时,通过负载的电流较小,所以阳极产生的电子将会更多地用于还原其他物质;

11、当MFC的外阻较小时,通过负载的电流较大,阳极产生的电子更多的是通过负载,然后在阴极被利用,从而提高了库仑效率。效、需要经常替换等缺点,限制了非生物阴极微生物燃料电池的进一步发展。于是,研究者们开始致力于开发一种能够可持续发展的微生物燃料电池。其中,生物阴极微生物燃料电池由于具有建造和运行费用低、可持续发展性强、可产生有用物质或者去除无用的化合物等优点而引起研究者们的关注。笔者搭建了一个生物阴极微生物燃料电池,并以输出电压和库仑效率(CE)为指标,考察了外阻、基质浓度、缓冲溶液对MFC产电性能的影响。1󰀁材料与方法1󰀁1󰀁试验装置生物阴极微生物燃

12、料电池装置如图1所示。图1󰀁MFC试验装置Fig.1󰀁SchematicdiagramofexperimentalsetupforMFC反应器由有机玻璃制成,阴极室和阳极室的尺寸均为100mm󰀁100mm󰀁10mm,有效体积为41mL。阴极室和阳极室所用的填料取自已经运行了1年的微生物燃料电池,尺寸为10mm󰀁10mm󰀁10mm。分隔材料是质子交换膜(PEM),数据采集系统为DAQ2213,外电阻(Rex)为可调电阻箱,参比电极为饱和甘汞电极。1󰀁2󰀁废水废水采用自配

13、水,以乙酸钠为基质,根据试验的需要配成不同的浓度。采用磷酸盐为缓冲液,并投加K、Ca、Mg等微生物生长所需的微量元素。在阴极溶液中投加NaHCO3作为无机碳源。1󰀁3󰀁分析方法MFC的输出电压由数据采集系统自动记录并存储,COD采用重铬酸钾法测定,pH采用pH计测定,库仑效率的计算参见文献11。2󰀁结果与讨论2󰀁1󰀁外阻对MFC产电性能的影响在不同外阻条件下运行生物阴极微生物燃料电图2󰀁MFC在不同外阻时CE的变化Fig.2󰀁CoulombefficiencyofMFCwithdif

14、ferentexternalresistance2󰀁2󰀁基质浓度对MFC产电性能的影响将进水中基质(NaAc)的初始浓度分别控制在20、10、5和2.5mmol/L,考察基质初始浓度对MFC产电性能的影响,结果见图3。从图3可以看出,随着NaAc初始浓度的降低,MFC稳定产电的时间减少。当基质浓度为20mmol/L且输出电压降到160mV左右时,发生了拖尾现象;而当基质浓度为10、5和2.5mmol/L时,没有发生这种现象。随着NaAc浓度的降低则MFC的CE升高。当基质初始浓度从20mmol/L降低到2.5mmol/L时,MFC的CE从10.7%增加到18.7

15、%。在阳极室中,钟登杰,等:生物阴极微生物燃料电池产电性能的研究第26卷󰀁第1期除了产电菌外还有其他细菌(如产甲烷菌等),它们都以NaAc作为基质进行产电或者产甲烷。当阳极室中的NaAc浓度较低时,用于产电的NaAc比例较大,从而使MFC的CE升高。出电压最高(609mV),其余三种溶液的输出电压变化不大(521、518、518mV),但它们的稳定产电时间不一样,分别为5.24、5.42、5.28、3.11h。磷酸盐缓冲溶液能提高溶液的电导率。如果穿过PEM的质子不能及时补充阴极溶液中所消耗的质子,阴极溶液的pH就会升高。磷酸盐缓冲溶液能减缓在大电流时由于质子消耗速率过快而导致

16、阴极溶液pH升高的现象。从图5可以看出,随着缓冲溶液浓度的降低则MFC的CE减小。当没有缓冲溶液或者缓冲溶液的浓度较低时,其缓冲能力较弱,阴极溶液的pH就会升高,在基质浓度较高和长时间运行时,这种现象更明显。阴极溶液pH的升图3󰀁不同初始基质浓度时输出电压的变化Fig.3󰀁OutputvoltageofMFCwithdifferentinitialsubstrateconcentration高不利于阴极中O2的还原反应(4H+4e+O2󰀁2H2O),因此会降低库仑效率。缓冲溶液可以弥补质子传输速率慢的缺点,从而使溶液的pH保持在中性,有利于微生物

17、的生长。NaCl能提高溶液的电导率,所以采用NaCl作电解质时,其CE效率要高于采用去离子水作电解质时的CE。3󰀁结论󰀁󰀂当外阻󰀁50󰀁时MFC能稳定运行。MFC的CE随着外阻的减小而增加。󰀁󰀂随着基质初始浓度的增加,MFC稳定运行的时间延长,但CE会降低。󰀁󰀂添加缓冲溶液有利于提高MFC的输出电压和CE,使阴极和阳极溶液的pH保持在中性附近,有利于微生物的生长。参考文献:1󰀁LoganBE,HamelersB,RozendalR,et

18、al.Microbialfu-+2󰀁3󰀁缓冲溶液浓度的影响在进水中NaAc的初始浓度为5mmol/L的条件下,选择缓冲溶液分别为50mmol/L的磷酸盐、(25mmol/L的磷酸盐+25mmol/LNaCl)、50mmol/LNaCl和去离子水(分别记作1、2、3、4)进行试验,结果如图4、5所示。#图4󰀁不同缓冲溶液浓度下输出电压的变化Fig.4󰀁OutputvoltageofMFCwithdifferentbuffersolutionconcentrationelcells:MethodologyandtechnologyJ.

19、EnvironSciTechno,l2006,40(17):5181-5192.2󰀁詹亚力,王琴,张佩佩,等.微生物燃料电池影响因素及作用机理探讨J.高等学校化学学报,2008,29(1):144-148.3󰀁ZhangT,CuiC,ChenS,etal.ThedirectelectrocatalysisofEscherichiacolithroughelectroactivatedexcretioninmicrobialfuelcellJ.ElectrochemCommun,2008,10(2):293-297.4󰀁曹效鑫,梁鹏,黄霞.b

20、3041;三合一󰀁微生物燃料电池的产图5󰀁不同缓冲溶液浓度下库仑效率的变化Fig.5󰀁CEofMFCwithdifferentbuffersolutionconcentration电特性研究J.环境科学学报,2006,26(8):1252-1257.5󰀁黄霞,范明志,梁鹏,等.微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响J.中国给水排水,2007,23(3):8当缓冲溶液的浓度为50mmol/L时,MFC的输第26卷󰀁第1期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁b

21、3041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁-13.中国给水排水󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁usingShewanellaputrefaciensJ.ApplMicrobiolBio-techno,l2002,59(1):58-61.10󰀁RabaeyK,LissensG,Sicili

22、anoSD,etal.AmicrobialfuelcellcapableofconvertingglucosetoelectricityathighrateandefficiencyJ.BiotechnolLett,2003,25(18):1531-1535.11󰀁钟登杰,陈阳,梁鹏,等,阳极厚度对填料型微生物燃料电池产电性能的影响J.中国给水排水,2009,25(7):9-12.作者简介:钟登杰(1974-󰀁),󰀁男,󰀁重庆人,󰀁博士,󰀁研究方向为污水资源化利用。电话-m

23、ail:djzhong收稿日期:2009-08-216󰀁MinB,RomanOB,AngelidakiI.Importanceoftemper-atureandanodicmediumcompositiononmicrobialfuelcell(MFC)performanceJ.BiotechnolLett,2008,30(7):1213-1218.7󰀁JadhavGS,GhangrekarMM.PerformanceofmicrobialfuelcellsubjectedtovariationinpH,temperature,exter-nalloadands

24、ubstrateconcentrationJ.Techno,l2009,100(2):717-723.8󰀁LiuH,LoganBE.Electricitygenerationusinganair-cathodesinglechambermicrobialfuelcellinthepres-enceandabsenceofaprotonexchangemembraneJ.EnvironSciTechno,l2004,38(14):4040-4046.9󰀁ParkDH,ZeikusJG.Impactofelectrodecompositiononelectricit

25、ygenerationinasingle-compartmentfuelcellBioresour(上接第8页)参考文献:1󰀁张统.间歇式活性污泥法污水处理技术及工程实例M.北京:化学工业出版社,2002.2󰀁RandallCW.DesignandRetrofitofWastewaterTrea-tmentPlantsforBiologicalNutrientRemovalM.Lan-caster:TechnomicPublishingCompanyInc,1992.3󰀁JanssenPMJ,MeinemaK,vanderRoestH.生物除磷设计与运行手册M.祝贵兵,彭永臻译.北京:中国建筑工业出版社,2005.4󰀁MauretM,PaulE,Peutch-CostesE,etal.Applicationofexperimentalresearchmethodologytothestudyofnitrif-icationinmixedcultureJ.WaterSciTechno,l1996,34(1-2):245-252.5󰀁徐亚同.pH和温度对反硝化的影响J.中国环境科学,1994,14(4):309-313.6♦