羧甲基纖維素鈉為陽極底物的微生物燃料電池產(chǎn)電性能

王美聰王紫諾張學(xué)軍(沈陽化工大學(xué)，遼寧沈陽110142)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境二者間的平衡，尋找綠色新能源變得格外重要。作為新能源開發(fā)的焦點(diǎn)之一的微生物燃料電池(MFC)是一種利用生物質(zhì)的化學(xué)能產(chǎn)生電能的理想裝置[1]。秸稈中蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)能，其化學(xué)組成包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等，其中纖維素和半纖維素的含量超過70%，因此，如果將其在MFC中高效轉(zhuǎn)化為電能，不僅拓展了秸稈利用的新模式，更是拓寬了MFC的作用領(lǐng)域[2]。本文以羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)為MFC陽極底物，通過改變陽極底物中CMC-Na的濃度來考察其對(duì)MFC 系統(tǒng)參數(shù)的影響，為明確將纖維素的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)關(guān)鍵因子提供更多理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 陽極液的配制

將適量羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)緩慢加入含有Na+，Ca2+，Mg2+離子的微生物馴化液中，放置在超聲波內(nèi)超聲30min，將pH調(diào)至7.2～7.4，獲得不同濃度的CMC-Na。

1.2 枯草芽孢桿菌的馴化與接種

枯草芽孢桿菌購于中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心。活化后將枯草芽孢桿菌在如下滅菌后的固體培養(yǎng)基中培養(yǎng)2天：蛋白胨1g，牛肉膏0.3g，NaCl 0.5g，瓊脂1.5g，100m L 蒸餾水。之后再將菌挑到液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)2 天，最后將碳?xì)址胖闷渲欣^續(xù)培養(yǎng)2天后可用于MFC 的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

1.3 MFC系統(tǒng)構(gòu)建

本實(shí)驗(yàn)采用雙室型MFC反應(yīng)裝置。外接電阻為100Ω。陽極液是用微生物馴化液配置的一定濃度的羧甲基纖維素鈉溶液，陰極液是25mmol/L 的鐵氰化鉀溶液，以枯草芽孢桿菌為產(chǎn)電菌，實(shí)驗(yàn)溫度均為室溫，陽極保持厭氧狀態(tài)。

1.4 MFC的數(shù)據(jù)測(cè)量與計(jì)算

實(shí)驗(yàn)過程中用多通道數(shù)據(jù)采集卡記錄MFC的電壓值。每60s 測(cè)定一次。外接電阻R 通過可調(diào)節(jié)電阻箱(ZX75)測(cè)量。由大到小(9000～200Ω)不斷改變陰極和陽極之間的外阻，并記錄隨電阻變化的電壓值，每組數(shù)值的穩(wěn)定時(shí)間在20m in 左右。

極化曲線是電流密度與電壓形成的曲線。通過擬合極化曲線獲得曲線方程，方程的斜率即為內(nèi)阻。功率密度的計(jì)算公式是：P=U2/RA，其中A 為陽極的有效面積。內(nèi)阻的計(jì)算公式是：PMax=E2/4r(P為功率，E為電勢(shì)，r 為電池內(nèi)阻)。循環(huán)伏安(CV)曲線通過電化學(xué)工作站測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系。參比電極是Ag/AgCl 電極[3]。循環(huán)伏安掃描掃描速率是10mV/s，范圍是-1.1～0.5V。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度的陽極液的MFC產(chǎn)電量

如圖1可知，當(dāng)羧甲基纖維素鈉的濃度為0.5g/L 時(shí)，產(chǎn)電量最大，可達(dá)147mV。當(dāng)陽極液濃度過高時(shí)，陽極室中微生物有限，超出了其能降解的有機(jī)物范圍，多余部分不能被利用。而當(dāng)?shù)孜餄舛冗^小時(shí)，由于碳源的不足，導(dǎo)致微生物無法利用更多有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)電。在何凡[4]等人的研究中發(fā)現(xiàn)，底物濃度對(duì)產(chǎn)電量有一定的影響，同時(shí)對(duì)微生物降解底物的速率也有一定的限制。

圖1 CMC-Na陽極液的MFC電壓輸出

2.2 MFC功率密度及內(nèi)阻分析

由圖2可知，不同濃度的CMC-Na 的功率密度有明顯的差異。當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度為0.5g/L 時(shí)，產(chǎn)電性能最好，功率密度最大為0.106W/m2。當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度為0.01%時(shí)，最大產(chǎn)電功率較小，為0.035W/m2。

圖2 CMC-Na陽極液的MFC功率密度曲線

由圖3通過擬合極化曲線可知，當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度分別為10g/L、2.5g/L、1g/L、0.5g/L、0.1g/L 時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻分別為1.042Ω、0.4271Ω、0.8985Ω、0.3312Ω、0.5942Ω。同時(shí)通過觀察圖2也可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濃度為0.5g/L 時(shí)產(chǎn)電量最高，內(nèi)阻最小。由此可知，MFC的產(chǎn)電效果與內(nèi)阻大小有關(guān)。Xu 等研究亦表明減小內(nèi)阻會(huì)提高產(chǎn)電性能[5]，因此，后續(xù)研究中會(huì)尋找此體系中減小MFC 內(nèi)阻的方法。

圖3 CMC-Na陽極液的MFC極化曲線

2.3 循環(huán)伏安曲線分析

如圖4在CV 曲線中出現(xiàn)氧化還原峰，是微生物在陽極表面發(fā)生了對(duì)底物的代謝反應(yīng)，產(chǎn)物在陰極還原所致[6]。濃度為0.5g/L 的CMC-Na 產(chǎn)電量最大，其CV 曲線峰面積最大，氧化還原峰的明顯出現(xiàn)表明，其電極上存在電化學(xué)活性物質(zhì)促進(jìn)了氧化還原反應(yīng)的發(fā)生，生物膜具有更高的電化學(xué)活性，枯草芽孢桿菌的電活性更強(qiáng)，MFC的電子轉(zhuǎn)移速率更高。

圖4 CMC-Na陽極液的循環(huán)伏安曲線

3 結(jié)論

(1)羧甲基纖維素鈉濃度為0.5g/L 時(shí)，產(chǎn)電量最大，可達(dá)147mv，最大功率密度為0.106W/m2，內(nèi)阻最小，為0.3312Ω。

(2)當(dāng)陽極液濃度過高時(shí)，由于微生物有限，超出了其能降解的有機(jī)物范圍，多余底物不能被利用。而當(dāng)?shù)孜餄舛冗^小時(shí)，由于碳源的不足，導(dǎo)致微生物無法利用更多有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)電。