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微生物燃料电池阳极活性菌及其对功率密度曲线回折的影响

刘丽红  
【摘要】:微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)是近年来迅速发展起来的一种新型燃料电池技术。由于其可以在降解污染物的同时回收到电能,而受到环境领域学者的广泛关注。目前,MFCs研究中较为重要的一个问题是如何克服某些生物和非生物因子对功率输出的制约,从而提高系统的效能。这些限制因子往往通过MFCs的内阻(Rin)、电容或者电极的阻抗反映出来。本文围绕着微生物燃料电池体系运行过程中经常出现的功率密度曲线回折现象,分析了这种现象的发生与反应器内部传质阻力的相关性,反应器内部传质主要与构型、电极材料、缓冲液浓度、底物浓度(电子供体、电子受体)、搅拌速度、微生物催化剂相关。本文在反应器构型和电极材料确定的情况下,研究底物浓度、搅拌速度对功率密度曲线回折现象的影响,探讨功率密度曲线回折发生的原因。进而,分别通过混合菌群和纯菌构建反应器,分析电极活性微生物对微生物燃料电池体系内传质的影响。 针对混合菌群构建的微生物燃料电池体系,在不同温度(15oC和25oC)下双室微生物燃料电池阳极形成生物膜后,将15oC(低温)反应器切换到25oC(室温),与室温反应器的产电性能和传质变化相比,发现低温反应器能够稳定产电,且切换到室温后仍能稳定产电。但是,将室温反应器切换到低温则不然。通过交流阻抗分析表明,低温形成的生物膜极化内阻较低。克隆文库分析电极微生物群落显示,低温下形成的生物膜中耐寒微生物的存在对于生物膜能够在室温和低温下稳定产电起主导作用,提出了东北地区低温启动反应器的适应温度变化的启动策略。 为了进一步探究纯菌构建的微生物燃料电池体系中阳极活性菌对传质阻力的影响,首先分离到三株典型阳极活性菌,通过形态观察、生理生化、脂肪酸鉴定、16SrRNA基因的分子生物学鉴定等分析,表明三株菌分别属于柠檬酸杆菌属(Citrobacter sp.)、土杆菌属(Geobacter sp.)、梭菌属(Clostridium sp.)。利用三株菌分别启动双室微生物燃料电池,均能够稳定产电。通过交流阻抗分别测定全电池、阳极和阴极,分析微生物燃料电池体系内的传质变化,结果显示电池的主要传质阻力来自于阳极。 本研究运行双室微生物燃料电池时,稳定运行五个批次循环后,通过线性扫描伏安(LSV)测定电池的极化曲线绘制功率密度曲线显示出功率密度曲线回折现象,开路电压0.67V,在电压0.46V时电流密度为1045mA/m2时达到最大功率密度486mW/m2,然后发生功率密度曲线回折现象。阳极反应被确定为主要影响因素。扰动阳极液没有显著地增加电池性能,认为从阳极电解液到阳极生物膜具有较小的外部传质阻力。数据回归分析表明,在生物膜和阳极连接处电荷转移阻力是可以忽略不计的。电导率的数量级评价表明,电子传递阻力对微生物燃料电池的性能有不可忽略的影响。阳极活性菌对底物利用的阻力可能诱导了微生物燃料电池功率密度曲线回折的发生的主要原因。


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