单室空气阴极燃料电池处理模拟生活废水同步产电实验条件优化研究

谢磊磊，陈利生，李 然，吴文彬

(昆明冶金高等专科学校环境与化工学院,云南 昆明 650033)

1996年，诺贝尔化学奖获得者Smalley R.说过,“能源问题是人类文明发展所面临的最严峻的问题”[1]。世界人口数量的不断增长和经济的发展，引发的环境问题日趋严重，使得探索和发展新型能源成为全世界关注的焦点[2]。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用化学装置将微生物代谢产生的能量转化为电能的装置[3-5]。微生物燃料电池可以利用废水中的有机物进行发电，并产生电能。这是一种高效益、低能耗的新型废水处理工艺[6-8]。2003年，利用微生物发电技术取得了较大突破[9-13],MFC在环境领域的研究和应用也逐步发展起来。

目前，MFC在国内可用于处理食品废水[14-15]、生活废水[16]、城市废水[17]、农业废水[18]等，这些有机废水由于易降解、生化性好，应用MFC技术均取得了较好的处理效果，但由于使用贵金属，且结构多以双室为主，使得成本较高。研究单室燃料电池和较廉价的金属阳极的较少。

本文拟寻找一种廉价的阴极材料，并优化实验条件，同时考察微生物燃料电池的运行特性和COD去除率，为MFC处理生活废水工业化应用奠定一定的理论基础。

1 实验部分

1.1 工作原理

阳极室在厌氧环境下，使具有电化学活性的微生物将有机物催化氧化，并从中获取能量。细胞呼吸过程中释放电子，通过辅酶和氧化还原型媒介传递到阳极，在外电路中形成电流。在反应过程中产生的质子通过质子交换膜到达阴极，并在阴极催化剂存在条件下与氧气和电子结合生成水[19]。

1.2 电池结构与材料

本实验采用单室微生物燃料电池，阳极室中填充碳毡，阳极室的几何尺寸为 8 cm×8 cm×8 cm，阳极为直径3 cm 碳棒，质子交换膜采用Nafion117,两极间距保持在 2 cm，阴阳极用铜导线连接，阳极密封并保持厌氧环境。碳毡采用 0.5 mol·L-1HCl浸泡 2 h，再用 0.5 mol·L-1NaOH浸泡 2 h，最后用去离子水洗涤。Nafion117膜分别在 80 ℃ 的30%H2O2、去离子水、50%H2SO4、去离子水中各处理 1 h，电池外接 1 000 Ω恒电阻，在线驯化15天，混合菌种取自某中水处理站厌氧池，在此基础上做温度、浓度条件实验。

表1 模拟生活废水组成及配比

1.3 模拟生活废水的组成

模拟生活废水的成分与生活废水成分接近，详见表1。本次实验只考虑模拟废水中葡萄糖浓度对MFC产电性能的影响和COD的去除率，故忽略其他成分对本实验的影响。表1中的C6H12O6质量浓度为 1.8 g·L-1,其COD浓度相当于 10 mmol·L-1。在后续实验中只改变C6H12O6质量浓度而其他成分不变。由于葡萄糖较易降解，微生物比较容易利用，作为模拟生活废水时，其浓度比较好控制，是模拟生活废水较好的选择。

1.4 阴极组成

以硫酸铁、硫酸镍、石墨粉、高岭土和聚四氟乙烯(60%的分散液)为阴极材料，按一定比例混合制成阴极。

1.5 实验设计和数据处理

将1.1—1.4所准备的实验材料进行组装，在线驯化 15 d 后，启动燃料电池。考察不同葡萄糖浓度、不同温度对MFC产电性能及COD去除率的影响。本实验中COD测定采用重铬酸钾法进行，并通过UT803数字万用表自动每隔 10 min 采集一个电压数据。

图1 不同温度下MFC输出的稳定电压值

2 结果与讨论

2.1 温度对输出电压的影响

从图1可知，在 20～35 ℃ 之间，MFC的最大输出电压随着温度的升高从 0.459 V(20 ℃)增至 0.486 V(35 ℃)。这说明在 20～35 ℃ 之间，产电微生物的活性随温度的升高是增强的。当温度超过 35 ℃ 时，MFC的最大输出电压随温度升高从 0.486 V(35 ℃)下降到 0.421 V(40 ℃)。而当温度达到 35 ℃ 之后，产电微生物的活性开始下降，可能是由于温度的升高使得阳极产电微生物不再适合该环境，其电化学活性降低，从而导致MFC的最大电压输出电压降低。

2.2 模拟生活废水中葡萄糖浓度对微生物产电性能的影响

从图2、3可知，模拟生活废水中不同浓度的葡萄糖对MFC输出电压是有影响的，在模拟生活废水中葡萄糖浓度为 1 mmol·L-1时，MFC的最大输出电压为 0.126 V;在葡萄糖浓度为 10 mmol·L-1模拟生活废水中，MFC的最大输出电压为 0.326 V，这说明MFC最大稳定输出电压随着模拟生活废水中葡萄糖浓度的增加而升高，但是增加的幅度在减小， MFC的最大输出电压趋于稳定，出现了“饱和效应”。从图2可知，MFC稳定放电时间随模拟生活废水中葡萄糖的浓度的增加而增加。

图2 不同葡萄糖浓度对MFC输出电压的影响

由图4可知，当模拟生活废水中葡萄糖的浓度从 1 mmol·L-1提高到 10 mmol·L-1时，MFC的最大输出功率由 31.00 mW·m-3提高到 846.87 mW·m-3，这说明模拟生活废水中葡萄糖浓度的增大，会使MFC的内阻减小，其能量的损耗也会减小，对外电路输出的电能就越高。

图4 不同葡萄糖浓度的MFC最大输出功率与内阻之间关系

由图5可知，在模拟生活废水中葡萄糖的浓度为1～10 mmol·L-1时，葡萄糖的浓度越高，COD的去除率越高。当模拟生活废水中葡萄糖浓度为 10 mmol·L-1时，COD去除率可高达46.11%，但是葡萄糖的浓度不能无限增大， 当达到饱和状态时，其去除率将不再增加，并且葡萄糖的浓度太大时会造成资源的浪费，出水水质会不达标，对水处理是不利的，所以模拟生活废水中葡萄糖的浓度并不是越大越好。

综合图2～5，说明模拟生活废水中葡萄糖浓度维持在 10 mmol·L-1时，其输出电压最大，维持的时间最久，最大输出功率密度最大，内阻最小，COD去除率最高可达46.11%。

3 结 论

1)本实验用硫酸铁、硫酸镍、石墨粉、高岭土和聚四氟乙烯(60%的分散液)为阴极材料，制作阴极，较Pt材质的价格低廉，在水处理方面具有较大的优势。

2)通过对单室空气阴极燃料电池处理模拟废水实验的研究发现，模拟生活废水中葡萄糖的浓度、温度会对MFC的产电性能产生显著的影响。当模拟生活废水中葡萄糖浓度控制在 10 mmol·L-1，温度控制在 35 ℃ 时，具有最佳的电化学性能，其输出电压为 0.326 V，维持的时间为 1 120 min，最大输出功率密度为 846.87 mW·m-3，内阻为 240 Ω，COD去除率为46.11%。