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产电菌的分离及不同温度下MFC产电特性的研究

刘尧兰  
【摘要】: 微生物燃料电池(MFC)是一种利用生物质及微生物进行电能生产的新型装置。将MFC用于废水处理,利用微生物作为催化剂将有机废水中的化学能转化为电能,在废水得以处理的同时又将能源回收利用,这对实现可持续发展起着重要的作用。温度和阳极催化剂(产电细菌)是影响MFC性能的重要因素,有必要对其进行深入的研究。本论文首次研究了30oC、20oC和15oC下MFC的性能,并从不同温度的反应器中分离了产电菌,对其产电性能进行了验证。本实验以单室空气阴极微生物燃料电池为研究对象,阳极为多孔碳布,以含0.35mg/cm2的Pt催化剂的防水碳布作阴极,用钛丝连接阴阳极,在1000?外电阻下运行。产电菌种来源于市政管网中的生活污水,启动时以1g/L的葡萄糖为底物,运行稳定后以生活污水作为唯一碳源。 在其他条件保持不变的前提下,30oC、20oC和15oC最大的电压输出分别为434.3mV、382.8mV和297.0mV ,最大的能量密度分别达到367.7mW/m2、260.1mW/m2和166.0mW/m2,COD去除率则分别为71.4%、67.3%和66.2%,库伦效率分别为42.2%、25.1%和18.4%。结果表明温度对能量密度和库伦效率等都有明显的影响。 采用兼性厌氧滚管分离技术,分别对不同温度下稳定运行的MFC阳极生物膜进行菌种分离,并将分离到的纯菌接入灭菌的反应器中进行产电性能的验证。不添加电子受体且以营养肉汤为底物,分离出41株纯菌。其中2株纯菌(30oCNo.10和20oCNo.13)产电性能最优,电压分别为213mV和212mV,能量密度为71.4mW/m2和67.9mW/m2。SEM观测显示这两株菌,均为短杆菌,大小为几十μm,且长有鞭毛。 加入柠檬酸铁和氧化铁作为电子受体,增强了培养基的营养配比后再次分菌,将得到的7株纯菌以1g/L的葡萄糖作为底物,进行产电性能的验证。其中菌株A1的最高电压为328mV,其余6株的最高电压均在200~250mV。B1的能量密度为228.8mW/m2,与无电子受体分离到的纯菌相比,功率密度提高了3倍以上。 利用交流阻抗法分析了纯菌MFC的内阻,结果表明各个MFC欧姆内阻基本相同,总内阻的差异主要来自阳极电荷转移电阻,与纯菌的产电性能直接相关。B1内阻最低(802Ω),其功率密度最高(228.8mW/m2),即内阻- I -越低,功率密度越高。循环伏安曲线显示氧化还原峰高、峰面积以及氧化还原电位的高低与纯菌产电性能成正比。原子力显微镜照片显示,7株纯菌中有6株杆菌,1株球菌,均无鞭毛。利用气相色谱分析细胞中的脂肪酸鉴定了产电性能良好的菌株A1和B1,证明A1为致病杆菌属;B1为枯草芽孢杆菌。测量了A1、B1的部分生理生化指标。


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