羧甲基纤维素钠为阳极底物的微生物燃料电池产电性能

2020-03-04王美聪王紫诺张学军沈阳化工大学辽宁沈阳110142

化工管理 2020年2期

王美聪王紫诺张学军(沈阳化工大学，辽宁沈阳 110142)

为了实现经济增长和生态环境二者间的平衡，寻找绿色新能源变得格外重要。作为新能源开发的焦点之一的微生物燃料电池(MFC)是一种利用生物质的化学能产生电能的理想装置[1]。秸秆中蕴含着丰富的化学能，其化学组成包括纤维素、半纤维素和木质素等，其中纤维素和半纤维素的含量超过70%，因此，如果将其在MFC中高效转化为电能，不仅拓展了秸秆利用的新模式，更是拓宽了MFC的作用领域[2]。本文以羧甲基纤维素钠(CMC-Na)为MFC阳极底物，通过改变阳极底物中CMC-Na的浓度来考察其对MFC系统参数的影响，为明确将纤维素的化学能转化为电能的系统关键因子提供更多理论参考。

1 实验材料与方法

1.1 阳极液的配制

将适量羧甲基纤维素钠(CMC-Na)缓慢加入含有Na+，Ca2+，Mg2+离子的微生物驯化液中，放置在超声波内超声30min，将pH调至7.2～7.4，获得不同浓度的CMC-Na。

1.2 枯草芽孢杆菌的驯化与接种

枯草芽孢杆菌购于中国普通微生物菌种保藏管理中心。活化后将枯草芽孢杆菌在如下灭菌后的固体培养基中培养2天：蛋白胨1g，牛肉膏0.3g，NaCl 0.5g，琼脂1.5g，100mL 蒸馏水。之后再将菌挑到液体培养基中培养2天，最后将碳毡放置其中继续培养2天后可用于MFC的启动实验。

1.3 MFC系统构建

本实验采用双室型MFC反应装置。外接电阻为100Ω。阳极液是用微生物驯化液配置的一定浓度的羧甲基纤维素钠溶液，阴极液是25mmol/L的铁氰化钾溶液，以枯草芽孢杆菌为产电菌，实验温度均为室温，阳极保持厌氧状态。

1.4 MFC的数据测量与计算

实验过程中用多通道数据采集卡记录MFC的电压值。每60s测定一次。外接电阻R通过可调节电阻箱(ZX75)测量。由大到小(9000～200Ω)不断改变阴极和阳极之间的外阻，并记录随电阻变化的电压值，每组数值的稳定时间在20min左右。

极化曲线是电流密度与电压形成的曲线。通过拟合极化曲线获得曲线方程，方程的斜率即为内阻。功率密度的计算公式是：P=U2/RA，其中A为阳极的有效面积。内阻的计算公式是：PMax=E2/4r(P为功率，E为电势，r为电池内阻)。循环伏安(CV)曲线通过电化学工作站测量。本实验采用三电极体系。参比电极是Ag/AgCl电极[3]。循环伏安扫描扫描速率是10mV/s，范围是-1.1～0.5V。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度的阳极液的MFC产电量

如图1可知，当羧甲基纤维素钠的浓度为0.5g/L时，产电量最大，可达147mV。当阳极液浓度过高时，阳极室中微生物有限，超出了其能降解的有机物范围，多余部分不能被利用。而当底物浓度过小时，由于碳源的不足，导致微生物无法利用更多有机物进行产电。在何凡[4]等人的研究中发现，底物浓度对产电量有一定的影响，同时对微生物降解底物的速率也有一定的限制。

图1 CMC-Na阳极液的MFC电压输出

2.2 MFC功率密度及内阻分析

由图2可知，不同浓度的CMC-Na的功率密度有明显的差异。当羧甲基纤维素钠浓度为0.5g/L时，产电性能最好，功率密度最大为0.106W/m2。当羧甲基纤维素钠浓度为0.01%时，最大产电功率较小，为0.035W/m2。

图2 CMC-Na阳极液的MFC功率密度曲线

由图3通过拟合极化曲线可知，当羧甲基纤维素钠浓度分别为10g/L、2.5g/L、1g/L、0.5g/L、0.1g/L时对应的内阻分别为1.042Ω、0.4271Ω、0.8985Ω、0.3312Ω、0.5942Ω。同时通过观察图2 也可发现，当浓度为0.5g/L时产电量最高，内阻最小。由此可知，MFC的产电效果与内阻大小有关。Xu等研究亦表明减小内阻会提高产电性能[5]，因此，后续研究中会寻找此体系中减小MFC内阻的方法。

图3 CMC-Na阳极液的MFC极化曲线

2.3 循环伏安曲线分析

如图4在CV曲线中出现氧化还原峰，是微生物在阳极表面发生了对底物的代谢反应，产物在阴极还原所致[6]。浓度为0.5g/L的CMC-Na产电量最大，其CV曲线峰面积最大，氧化还原峰的明显出现表明，其电极上存在电化学活性物质促进了氧化还原反应的发生，生物膜具有更高的电化学活性，枯草芽孢杆菌的电活性更强，MFC的电子转移速率更高。