沉積物微生物燃料電池陽極修飾及其產(chǎn)電研究.pdf

1、生命離不開能量。新型能源正在逐步發(fā)展，沉積物微生物燃料電池（Sediment Microbial Fuel Cell，SMFC）是一種依靠微生物氧化有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生電能的新型技術(shù)， SMFC由埋在厭氧污泥中的陽極及上浮水中的陰極通過外接導(dǎo)線相連而構(gòu)成。在近十年里，沉積物微生物燃料電池發(fā)展迅速。然而，沉積物微生物產(chǎn)電輸出并不高，成為了限制其發(fā)展的因素之一。
　　SMFC厭氧污泥中含有豐富有機(jī)質(zhì)和產(chǎn)電微生物，因此厭氧污泥選取成為了為產(chǎn)電的關(guān)

2、鍵。本文厭氧污泥取自于齊魯工業(yè)大學(xué)大成河，以600 mL厭氧污泥，活性碳?xì)譃殡姌O，通過外接1000Ω電阻的導(dǎo)線連接兩極形成通路。產(chǎn)電周期、最大產(chǎn)電值進(jìn)行了記錄，其最大電壓達(dá)到了0.19 V，與文獻(xiàn)報(bào)道的產(chǎn)電電壓還有一定差距。基于前人的研究，總結(jié)出沉積物微生物燃料電池中厭氧污泥和陰極緩沖液體積比例、電極距離、沉積物中外源添加物、不同電極對產(chǎn)電電壓輸出均具有一定的影響。因此分別以厭氧污泥和陰極緩沖液體積比例、電極距離、沉積物中外源添加物、不

3、同電極為單一性變量進(jìn)行了研究，最終得出在2L玻璃量筒體系中，電極距離為35 cm，厭氧污泥與陰極緩沖液分別為600 mL、1400 mL，厭氧污泥（600 mL）加入20 mL的1 g/L的葡萄糖溶液均經(jīng)過15 d的馴養(yǎng)的條件下， SMFC在30 d產(chǎn)電周期內(nèi)表現(xiàn)出了較好的產(chǎn)電性能。
　　SMFC中陽極為接受產(chǎn)電微生物電子的重要部位，因此陽極電極材料的研究成為了產(chǎn)電研究的重要因素之一。本文選擇內(nèi)阻小、導(dǎo)電性能好、比表面積大和生物相

4、容性好的碳納米管陽極材料為研究對象，通過層層自組裝方法有效修飾了陽極活性碳?xì)?。?jīng)碳納米管修飾的裝置最大電壓達(dá)到了0.37 V，未經(jīng)修飾裝置最大電壓達(dá)到了0.30 V，經(jīng)多碳納米管修飾裝置產(chǎn)電電壓相對對照組提高了24.7％，極化曲線測定表明經(jīng)碳納米管修飾裝置其開路電壓0.60 V，陽極未經(jīng)修飾裝置的開路電壓為0.40 V，經(jīng)修飾裝置極化曲線波動較小，其產(chǎn)電穩(wěn)定性明顯高于未經(jīng)修飾裝置。在22 d產(chǎn)電最高時(shí)對此時(shí)陽極生物膜表征，表明碳納米管修

5、飾裝置陽極生物膜明顯厚于對照組陽極生物膜，并對陽極生物膜蛋白定量檢測表明經(jīng)碳納米管修飾的裝置陽極蛋白含量為11.24μg/mL，未經(jīng)修飾裝置為10.24μg/L，陽極生物膜表征和蛋白測定結(jié)果說明了碳納米管修飾后更有利于陽極產(chǎn)電微生物的富集。
　　由于沉積物微生物燃料電池?zé)o質(zhì)子膜存在，陽極厭氧污泥中的有機(jī)質(zhì)較容易導(dǎo)致異養(yǎng)細(xì)菌在陰極形成生物膜，成為了SMFC有效產(chǎn)電的限制性因素，本文構(gòu)建界面雙陽極來抑制沉積物上浮，在泥液界面處設(shè)置第二

6、陽極，分別在5 d，15 d，30 d進(jìn)行了陰極生物膜蛋白定量測定及陰極生物膜電鏡表征。結(jié)果顯示界面雙陽極SMFC陰極的蛋白含量分別為0.03 mg/L，0.04 mg/L，0.03 mg/L，單陽極SMFC分別為0.10 mg/L，0.11 mg/L，0.14 mg/L，陰極生物膜表征表明界面雙陽極裝置相比于單陽極SMFC，陰極生物膜厚度明顯減少。通過電化學(xué)交流阻抗測定表明界面雙陽極SMFC陰極電阻為2.13Ω，單陽極SMFC裝置為3