不同電流工況下平板式微生物燃料電池生物膜及性能響應特性.pdf

1、微生物燃料電池(MFC)是一種采用微生物為催化劑將有機廢水中的化學能轉化為電能的裝置,以其在處理廢水的同時可產出電能這一獨特的優(yōu)勢受到了國內外研究者們廣泛的的關注。目前MFC功率密度還較低,還無法滿足未來實際應用的需求。影響其功率密度的因素很多,如反應器結構、電極材料、陽極生物膜、電子傳輸機制和操作參數等。與化學燃料電池相比,MFC生物膜及性能對變工況運行條件下的響應是較緩慢的生物電化學過程,工況的變化對陽極生物膜內部的物質傳輸及電池性

2、能都具有重要的影響,因此對運行工況變化時MFC的生物膜及性能響應研究具有重要的意義。
　　本文針對不同電流運行工況,通過恒流源控制MFC實際運行電流的大小,考查不同電流運行工況時生物膜結構及性能的響應特性,具體包括不同恒電流、階梯電流和反極電流三種運行工況。主要研究成果如下:
　　(1)對啟動完成后的MFC對比研究了不同恒電流工況下MFC陽極生物膜結構及性能特性。實驗中對100Ω啟動完成后的MFC分別加載0.75mA、4mA

3、、7.5mA、9mA電流運行10天。研究結果表明,隨著MFC加載電流的增加,陽極生物膜內活性生物量和胞外聚合物逐漸增加,陽極生物膜活性也逐漸增強,同時陽極內阻逐漸減小。與持續(xù)以100Ω電阻條件下運行的電池對比,以9mA電流運行后的MFC生物膜表面出現了明顯的多孔結構,有利于生物膜內底物的傳入和產物的傳出,最終使得加載9mA電流的性能最佳,最大功率密度和最大電流密度分別達到2.6±0.2W·m-2和11.3±0.3A·m-2。
　　

4、(2)考慮到采用大電流長期運行時MFC易發(fā)生反極,本文采用階梯電流(7.5mA/0.75mA;7.5mA/開路)運行模式,研究了此工況下MFC陽極生物膜結構及性能的響應特性。研究結果表明,采用7.5mA/0.75mA和7.5mA/開路兩種階梯電流運行模式下MFC陽極生物膜活性生物量、生物膜活性和最大輸出功率密度(2.0W·m-2)均相近,但和以7.5mA的恒電流運行的電池相比,陽極生物膜活性生物量和生物膜活性均降低,這也導致最大功率密度

5、下降15％。這說明持續(xù)加載恒定大電流運行的MFC可維持較高的生物膜活性和功率輸出。
　　(3)由于MFC經常發(fā)生反極現象,而長期處于反極條件下的MFC陽極生物膜可能會發(fā)生脫離,導致MFC陽極生物膜電化學活性和性能大大降低。因此,本文研究了反極電流條件下MFC陽極生物膜的響應和產電特性。研究結果表明,隨著施加反極電流時間的增加,MFC最大功率密度呈逐漸減小的趨勢。當施加的反極電流時間大于12h時,電池最大功率密度幾乎降至為零。當電池