阳极碳材料对单室空气阴极型微生物燃料电池启动的影响

JournalofDalianPoltechnicUniversityy

大连工业大学学报

Vol.39No.1

Jan.2020

􀤂􀦂􀤂􀦂:/DOI10.19670.cnki.dldxxb.2020.0108jgy

阳极碳材料对单室空气阴极型微生物燃料电池启动的影响

郭 加, 康欣媛, 高佳敏, 赵 璇, 王国文

(大连工业大学轻工与化学工程学院,辽宁大连 116034)

:AbstractInordertostudtheinfluenceofanodematerialsonthestart-urocessinasinle-chamberyppg

,aircathodemicrobialfuelcell(MFC)reactorasandwichaircathodewasfabricatedbollpressinyrg

carbonfeltandcarbonbrush.PCR-DGGEtechniuewasusedtodeterminethecolonistributionofqyddifferentanodes.Theexerimentalresultsshowedthatthemaximuminitialstartinoltaesofpgvg

,carbonfeltandcarbonbrushare350and450mV,resectivelandthemaximumpowerdensitiesarepy,Howevertheproortionoftheelectroenicbacteriainthereactorwithcarbonpaerasanodeispgp

,,wsmallandthestartinffectisnotobviouslbservedhichmakescarbonpaernotsuitableforgeyop

,method.Theelectriciterformancewasobservedbrelacinifferentanodessuchascarbonpaerypypgdp

2

/,1021and1172mWmresectivel.Thereisnearlhesamenumberofanodemicrooranismsinpyytg

,a)ithereactorndtheProteusgenusgeobacter(electroenicbacteriasthedominantbacteria.g

directlervinsanodeofmicrobialfuelcell.Undertheconditionsofrestartinfterfreezinndysgagaga

,intermittentstartinthestartinffectofcarbonfeltisbetterthancarbonbrush,whichshowsggetheconditionofanodebiofilmisanimortantfactorintheoerationandalicationofthereactor.pppp

:m;;Keordsicrobialfuelcellsanodecarbonmaterialsowergenerationperformancepyw

strontabilitndismoresuitableforsinle-chamberaircathodeMFCrecclin.Itindicatesthatgsyagyg

􀤂􀦂是影响反应器运行和用途的重要因素。

􀤂􀦂摘要:为了研究单室空气阴极型微生物燃料电池(反应器内阳极材料对启动过程的影响,采用辊MFC)

在初次启动过程中,碳毡和碳刷的初次启动DGDE技术对阳极的菌落种群分布进行了测定。结果表明,

2

/;最大电压分别达到3最大功率密度为10反应器内阳极微生物种类数量50、450mV,21、1172mWm

压法制作“三明治”空气阴极,通过比较碳纸、碳毡、碳刷3种形式阳极,观察产电情况,并采用PCR-

大致相同,变形菌属G产电菌属)为优势菌,但以碳纸为阳极的反应器中产电菌种所占比例较eobacter(小,产电效率低,不适合作为MF碳毡的启动效C阳极。MFC在冷冻后重新启动和间歇式启动条件下,果优于碳刷,表现出较强的稳定性,更适合单室MF阳极生物膜的状况C使用。在利用微生物产电时,

关键词:微生物燃料电池;阳极碳材料;产电性能中图分类号:TM911.4

文献标志码:A

()文章编号:1674-1404202001-0036-05

Effectofanodecarbonmaterialsonstartufasinle-chamberpog

aircathodemicrobialfuelcell

,,,,GUO Jia KANG Xinuan GAO Jiamin ZHAO Xuan WANG Guoweny

(,,SchoolofLihtIndustrndChemicalEnineerinDalianPoltechnicUniversitDalian116034,China)gyaggyy

收稿日期:2018-04-19.

)基金项目:国家自然科学基金项目(21407017.

),,;:),作者简介:郭加(男硕士研究生通信作者王国文(男,讲师.1992-1982-

第1期

郭加等:阳极碳材料对单室空气阴极型微生物燃料电池启动的影响

37

0 引 言

通过微生物代谢(如利用产电菌产电,某些放线菌、杆菌、真菌等形成生物膜支架)将生物能转化为电能。该操作所需活性污泥的来源(如河底、稻田)广泛,且易于培养。通常在常温常压下运行,且生成一般产物都是COH2O等无污染的小分2、子

[1]

微生物燃料电池(技术是在反应器内MFC)

//0.400gL、MnSO.090gL、CuSOH2O414·5

/·/(0.400gL、NaoO2H.050gL、CaNO2M42O03)2//2.217gL、FeCl6H2O44.400gL作为营养3·

液提供微量元素。

1.3 实验装置

反应器是一个内部有效空间为28mL的圆

2,两极平行相对,间距为4c7cmm。阴极固定,用钛片接触用于电子的传输。电刷阳极置于反应

柱体,阴极和阳极与液相和气相接触,面积均为

产生活污水中的大量有机物活性污泥呼吸所需的

。微生物燃料电池中,可以直接采用城市生

碳源、氮源[2

]化生物膜氧化有机物进行代谢活动

。厌氧条件下,微生物细胞内的酶催

[3]

释放电子传

递,在生物能转化利用中具有很强的可行性。

为了提高输出功率,研究者设计了的单室

M[-6]

器的启动过程中FC并优化4

,,能生长在阳极表面产电菌及促进

够提高产电能力。但在反应生物膜形成的菌群很大程度上影响系统的性能

(e目前已知obatceria的su产lf电urr菌ed属uc主en要s有Geobacteria.sp和等[7]

极材料非常重要。因此,阳极产电菌代谢快慢被

),因而合适的阳认为是MFC性能的一个重要因素[8

]同的阳极材料中[9]

碳材料阳极也是目前,碳材料被认为最具潜力。MFC领域研究热点。

,在不

开发

本研究以盘锦稻田的底泥,培养为厌氧活性污泥后,取适量上清液作为接种物注入反应器中,观察不同阳极的产电效果;同时采用相关探测技术[10-11

],检测不同阳极对菌群分布的影响DNA

。

实 验

.1 空气阴阳极的制备

单室空气阴极制作:采用分散剂(无水乙醇)使聚四氟乙烯分别和活性炭、导电炭黑充分混合后,均匀分散,辊压烧结成三明治结构薄片,完成

空气阴极的制备[

12-13]

阳极处理:实验涉及的碳纸。、碳布和碳刷均在

合溶液浸.010mol泡/L的醋酸钠和磷酸盐缓冲液(轻在上划下若干交叉划痕10min。碳纸。

使用时需要用P刀BS具)

混轻.2 底物(反应液)的配制采用例为NaH2PPBOS和4·21Hg/2O1L醋酸钠混合溶液,其配制比.452g/L、NH4Cl0.3120.3g3/0Lg/、KLC、Na2HPO4·/H2O,为微生物提供底物和稳定的生长环

l0.130gL作

为稳态缓冲液境。配置的底物中生长因子配制比例为.250g/L、ZnCl20.260g/L、CoCl2·E6

DHT2A

O器的阳极处,其尾端通过反应器连接处伸出。碳纸电极置于反应器阳极区和腔体连接处夹紧固定,把碳毡正常放置在阳极,三者均通过导线和外部负载相连(实验采用外电阻阻值为电流回路。

1kΩ),构成1.4 测定方法

输出电压通过和记录。COD测定采用国标DINs-800采集系统实时监测

,

用比色法测定重铬酸钾的消减来测定COD的消减[14]

。pH采用

F消耗有机物在理论上获得电量之比E20型pH计测量。库伦效率是实际产电量和

,表征反应器产电能力。实际产电量为自制的监测仪器(利用电压表工作原理制作)

。理论产电量是消耗的有机物完全分解成理想状况产生的,记为qt[15]

。qt=985×VΔCOD式中:ΔCOD是反应前后COD8

浓度的变化;V是反应器容积,菌群项目的测定方法mL。:分别从离包含全部DNA的物质,经过PC3组阳极上分

通过。不同电极的电位相对于DGGE技术[1

5]来确定不同菌R预处理后,

群的分布状况Ag/Ag

Cl参比电极。2 结果与讨论

2.1 反应器首次启动阶段的产电效果

鉴于反应器运行时,搅拌、温度、性能影响很大[16

]p

H对电池平衡0,同g时L的醋酸钠及,3组M保持阳极固P定BF。SC中的反应液均采用

1.00/溶液,保持在相同条件pH动态

下启动

MFC每隔1d记录电压,结果如图为阳极的空气阴极1所示。以碳纸,

期,电势始终维持在说明产电微生物开始在阳极受体增殖1~7mV,19dMFC后,,在电势略有培养前升高,,但最大电压仅达到为MF2培0.养4m约V2,

周启动效果很差后启动成功。,电以碳毡动2d后持续增高C阳极,势1,13d达到50mV,15dMFC电G11012138

大 连 工 业 大 学 学 报

第39卷

图Fig1.1 不同阳极 VoltaecurvMesFCofMs启动过程电压变化曲线

differegntanodes

FCsstartingp

rocesswith动势下降至周期与碳毡大致相同50mV,培,但其最大电压养周期2d。(碳刷的启动比碳毡为阳极的反应器最大电压(450m要对以碳刷和碳毡为阳极的反应器测定功率密

350mV)

高V。)度,如图2所示。在相同电流密度下,碳刷阳极所

在的反应器功率密度比碳毡阳极的功率密度大,

分别为达到最大10,2说明两组反应器内阻值大致相同1、1172mW/m2;二者均在7A。/m

2

这表明虽然阳极对反应器的内阻影响较小,但阳极材料上负载的产电菌群,其新陈代谢状况会影响反应器运行效率。

图Fig.2 T2he 反应器功率密度曲线

densityc

urvesofreactorpower.2 反应器首次启动阶段的有机物去除

当空气阴极型一个周期后COD去除率和库仑效率MFC系统启动完成后,

运行[1

7]

的对比如图率很高3所示。碳纸中库仑效率接近,达到有机物的分解并未主要用来提供产电菌进行新陈63%。说明碳纸为阳极的反应器中0,但COD去除代谢,而被大量无关细菌所利用。碳刷反应器的

OD去除率(的去除率(72%.5倍。所以76%在)初,但库伦效率却是碳毡反应器的)略低于与碳毡反应器的COD

次启动过程中,

从产电效果和有机物处理方面综合来讲,碳刷作为反应器的产电菌附着的载体更为合适。

图Fig.3 CO3Dr CemOoD去除率与库仑效率

valrateandcoulombefficiency

.3 阳极区首次启动阶段菌群成分

在其他实验条件相同条件下,菌门水平下菌群分布种类大致相同,但碳纸中变形菌门(因而Prote附ob在act碳er纸)所占比例远比碳刷碳毡的比例小电极上变形菌门地杆细菌属,(Geobacter.sp

碳刷和碳毡所在的反应器中变形菌门所占比例处),在竞争中并不占绝对优势。而于绝对优势(碳刷和碳毡在菌门角度比例接近80%),因而能够成功,而产电效果却启动反应器。有明显差异,需要从菌纲角度进一步对微生物种群分析,如图4所示。在相同状况下,碳刷阳极所 表Tab.11 D 菌门水平下各阳极菌群分布比例

miisctrroifblourtiaonatpprhoy

p

loartlieovnoelfdifferentanode%

菌群碳刷碳毡碳纸BParcotteeobacter

7182.52803Fi6.9.138.Crhmrlioidetesocruotbeis1.8578.31670.2.060.732.1.38634

Chlo其他roflexi

0.3721

0.10.691.2.13356

277..5538图Fig.4 D4 菌纲水平下较优势菌群分布图

thisemtriby

ucteitoenmlevaelp

softhedominantfloraat22C1第1期

郭加等:阳极碳材料对单室空气阴极型微生物燃料电池启动的影响

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在反应器,启动过程中主要产电菌Deltaro-p因而启动所产生的最teobacteria比例较碳毡大,大电压却比碳毡高。在反应器采用未培养过细菌的碳刷、碳毡上,微生物均形成了生物膜系统,但碳刷更利于产电细菌生长,产电周期较碳毡阳极短。但到达阴极的离子更多,会更容易导致阴极产生盐析,使反应器运行效率下降。因而需要对反应器的长期使用进行验证。

2.4 阳极对反应器重新启动的影响

)碳毡阳极 (a

优化长期性、重复性利用是重要的考察因素MFC,提高产电能力的趋势下。,阳极反应器的启动成功后,阳极上形成含有产电菌的生物膜;反应器内的物质可以腔体内的底物也可作为接种液,用来启动新的反应器。

运行箱冷冻。随后重新启动以碳毡和碳刷为阳极的反3月,暂停反应器的运行,将菌液放入冰

应器,其中每天更换底10物m。L有机底物,每周期结束更换20mL有机启动过程的电压及电位曲线如图5、图6所示。

图Fig.55 V 反应器再次启动过程的电压变化

oltagevariationduringr

estartofreactors如图均在3~5d5所示,以碳毡和碳刷为阳极的反应器

启动成功,碳毡所需的启动时间较短。碳毡的最大电压约最大电压的最大电压350m下降V相比无明显下降300mV,与。首而碳刷阳极次启动时较明显,其最大电压仅为首次启动最大电压253.1mV

表明在阳极材料的重复利用上450.0m,碳毡阳极的产电V的56.2%,这效果更稳定。

如图位降低,说明阳极的长期利用过程中6所示,碳刷阳极电位降比碳毡阳极电,碳刷的使用效率逐渐下降,且碳刷阴极的电位不如碳毡阴极稳定,说明碳刷上微生物代谢过程对阴极产生了不利影响。

.5 阳极对反应器间歇式启动的影响采用间歇式启动MFC反应器时,

碳毡反应图Fig

.66 P (b

)碳刷阳极反应器再次启动时两级电位曲线

reostteanrttiaolfcrueravcetsoros

fanodeandcathodeon器的最大电压损失较低。且重新启动的时间(达到使用的阳极材料50mV)较短,如图7所示。说明即便是未长期,碳刷阳极上的菌群竞争仍较激烈,产电菌的恢复较碳毡材料慢,因而产电效果不如碳毡阴极。

图7 间歇启动反应器碳刷电极和碳毡电极反

应器的电动势

Fig.7 cElectromoti,ealercbtornodebrreuvasechfortor

ecleoectfbrodaetchsantdart-cuarpbr

oenactfoerlt 结 论

空气阴极型单室良好,COD去除率60%MF以上情况下C使用碳刷和碳毡效果

,产生最大电压为3不同阳极材料对阳极区菌群分布影50~450mV,

而碳作阳极的效果较差响较。大,

2340

大 连 工 业 大 学 学 报

碳刷阳极初期运行效果较好,适合实验室采

,():nolo2006,4072426-2432.gy

第39卷

但菌纲种类大致相同,菌属差异很大。

集数据监测相关变量,但菌群活跃竞争较激烈,相比碳毡阳极的稳定性较弱,在间歇启动上效果不如碳毡。碳毡阳极较稳定,更适合于空气阴极MFC长期运行。

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(责任编辑:刘发盛)