单室空气阴极微生物燃料电池处理模拟生活废水同步产电研究

2021-03-10谢磊磊李然朱晓敏孙冬苟吴文彬

节能与环保 2021年1期

文_谢磊磊李然朱晓敏孙冬苟吴文彬

1.昆明冶金高等专科学校 2.云南绿韵环保科技有限公司

微生物燃料电池（MFC）是利用化学技术将微生物代谢能转化为电能的一种装置。如果能将MFC 应用到废水处理领域，在处理有机废水的同时获得电能，可达到能源回收利用和污染物处理的双重效益。

为了提高双室微生物燃料电池（DCMFC）处理污水的效率，研究者尝试对反应器外形、隔膜材料、电解液流道等部件进行改良，相继出现了经典H 型DCMFC、盐桥DCMFC、无膜DCMFC、平板 DCMFC、微型 DCMFC、升流式 DCMFC 等。虽然DCMFC 构型多样且应用范围较广，但是都存在内阻较高、构建与运行成本昂贵、难以放大等问题，制约了 DCMFC 在实际污水环境的应用。

单室MFC 是在DCMFC 基础上通过将阴极室压缩至完全被阴极所替代所形成的，不但减小了内阻也节约了电池体积，而且结构易于放大，是更适合于污水处理的MFC 基本构型。我国在MFC 处理处理废水方面的研究较少。近年来，许多业内专家在MFC 阴极设计、污水处理等方面做出了一定的研究，但都面临污水处理和产电效率不理想的问题。

本实验设计一新型单室空气阴极MFC 来处理模拟废水同步产电，并对其性能和影响因素进行研究，为MFC 处理生活废水工业化应用奠定一定的基础。

1 实验部分

1.1 工作原理

阳极室在厌氧环境下，电化学活性微生物催化氧化有机物并从中获取能量。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，在通过外电路循环到达阴极形成电流，电子传递过程伴随着三磷酸腺苷的产生，同时，细菌获得生长和代谢所需的能量，在阳极上形成生物膜。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。

1.2 电池结构与材料

本实验采用单室微生物燃料电池，阳极室尺寸为8cm×8cm×8cm，并用碳毡填充阳极室，用φ3cm 碳棒作为阳极，质子交换膜采用Nafion117，两极间距保持2cm，阴阳极用铜导线连接，阳极密封并保持厌氧环境。碳毡采用0.5mol/L HCl 浸泡2h，再用0.5mol/L NaOH 浸泡2h，最后用去离子水洗涤。Nafion117 膜分别在80℃的30%H2O2、去离子水、0.5H2SO4、去离子水中各处理1h，电池外接1000Ω 恒电阻，在线驯化15d，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。

1.3 模拟废水的组成(表1)

表1 模拟废水组成及配比

1.4 阴极组成

以硫酸镍、硫酸铁、高岭土、石墨粉和聚四氟乙烯（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、1.2、1.3 和1.4 所准备的实验材料进行组装，在线驯化15d 后，启动燃料电池，分析不同温度、不同葡萄糖浓度对MFC 产电性能及COD 去除率的影响。本实验中通过UT803 数字万用表自动每隔10min 采集一个电压数据输出至电脑。COD测定采用重铬酸钾法测定。

2 结果与讨论

2.1 温度对输出电压的影响

从图1 可知，在35℃之前，MFC 最大输出电压随着温度的升高而升高；当温度到达在35℃之后，MFC 的最大输出电压随温度升高而下降。说明在35℃之前，产电微生物的活性随温度升高而增强。当温度达到35℃之后，产电微生物的活性开始下降。在25～35℃温度范围内，MFC 输出电压随温度的升高（由0.459V（25℃）增至0.486V（35℃）），但是增加幅度并不大，说明产电微生物在的25～35℃温度范围内具有很强的适应能力，也说明温度对MFC 产电的影响不是很明显；而在运行温度由35℃转为40℃时，MFC 的输出电压出现了（由0.486V（35℃）下降到0.421V（40℃））较大程度的下降。主要原因是温度的变化影响到阳极产电微生物的电化学活性，导致其传递电子效率变低，进而使MFC 的电压输出性能降低。