單室空氣陰極燃料電池處理模擬生活廢水同步產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化研究

謝磊磊，陳利生，李 然，吳文彬

(昆明冶金高等專科學(xué)校環(huán)境與化工學(xué)院,云南 昆明 650033)

1996年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Smalley R.說過,“能源問題是人類文明發(fā)展所面臨的最嚴(yán)峻的問題”[1]。世界人口數(shù)量的不斷增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，引發(fā)的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，使得探索和發(fā)展新型能源成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用化學(xué)裝置將微生物代謝產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置[3-5]。微生物燃料電池可以利用廢水中的有機(jī)物進(jìn)行發(fā)電，并產(chǎn)生電能。這是一種高效益、低能耗的新型廢水處理工藝[6-8]。2003年，利用微生物發(fā)電技術(shù)取得了較大突破[9-13],MFC在環(huán)境領(lǐng)域的研究和應(yīng)用也逐步發(fā)展起來。

目前，MFC在國內(nèi)可用于處理食品廢水[14-15]、生活廢水[16]、城市廢水[17]、農(nóng)業(yè)廢水[18]等，這些有機(jī)廢水由于易降解、生化性好，應(yīng)用MFC技術(shù)均取得了較好的處理效果，但由于使用貴金屬，且結(jié)構(gòu)多以雙室為主，使得成本較高。研究單室燃料電池和較廉價(jià)的金屬陽極的較少。

本文擬尋找一種廉價(jià)的陰極材料，并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)考察微生物燃料電池的運(yùn)行特性和COD去除率，為MFC處理生活廢水工業(yè)化應(yīng)用奠定一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工作原理

陽極室在厭氧環(huán)境下，使具有電化學(xué)活性的微生物將有機(jī)物催化氧化，并從中獲取能量。細(xì)胞呼吸過程中釋放電子，通過輔酶和氧化還原型媒介傳遞到陽極，在外電路中形成電流。在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，并在陰極催化劑存在條件下與氧氣和電子結(jié)合生成水[19]。

1.2 電池結(jié)構(gòu)與材料

本實(shí)驗(yàn)采用單室微生物燃料電池，陽極室中填充碳?xì)?，陽極室的幾何尺寸為 8 cm×8 cm×8 cm，陽極為直徑3 cm 碳棒，質(zhì)子交換膜采用Nafion117,兩極間距保持在 2 cm，陰陽極用銅導(dǎo)線連接，陽極密封并保持厭氧環(huán)境。碳?xì)植捎?0.5 mol·L-1HCl浸泡 2 h，再用 0.5 mol·L-1NaOH浸泡 2 h，最后用去離子水洗滌。Nafion117膜分別在 80 ℃ 的30%H2O2、去離子水、50%H2SO4、去離子水中各處理 1 h，電池外接 1 000 Ω恒電阻，在線馴化15天，混合菌種取自某中水處理站厭氧池，在此基礎(chǔ)上做溫度、濃度條件實(shí)驗(yàn)。

表1 模擬生活廢水組成及配比

1.3 模擬生活廢水的組成

模擬生活廢水的成分與生活廢水成分接近，詳見表1。本次實(shí)驗(yàn)只考慮模擬廢水中葡萄糖濃度對MFC產(chǎn)電性能的影響和COD的去除率，故忽略其他成分對本實(shí)驗(yàn)的影響。表1中的C6H12O6質(zhì)量濃度為 1.8 g·L-1,其COD濃度相當(dāng)于 10 mmol·L-1。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中只改變C6H12O6質(zhì)量濃度而其他成分不變。由于葡萄糖較易降解，微生物比較容易利用，作為模擬生活廢水時(shí)，其濃度比較好控制，是模擬生活廢水較好的選擇。

1.4 陰極組成

以硫酸鐵、硫酸鎳、石墨粉、高嶺土和聚四氟乙烯(60%的分散液)為陰極材料，按一定比例混合制成陰極。

1.5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理

將1.1—1.4所準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行組裝，在線馴化 15 d 后，啟動(dòng)燃料電池?？疾觳煌咸烟菨舛取⒉煌瑴囟葘FC產(chǎn)電性能及COD去除率的影響。本實(shí)驗(yàn)中COD測定采用重鉻酸鉀法進(jìn)行，并通過UT803數(shù)字萬用表自動(dòng)每隔 10 min 采集一個(gè)電壓數(shù)據(jù)。

圖1 不同溫度下MFC輸出的穩(wěn)定電壓值

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對輸出電壓的影響

從圖1可知，在 20～35 ℃ 之間，MFC的最大輸出電壓隨著溫度的升高從 0.459 V(20 ℃)增至 0.486 V(35 ℃)。這說明在 20～35 ℃ 之間，產(chǎn)電微生物的活性隨溫度的升高是增強(qiáng)的。當(dāng)溫度超過 35 ℃ 時(shí)，MFC的最大輸出電壓隨溫度升高從 0.486 V(35 ℃)下降到 0.421 V(40 ℃)。而當(dāng)溫度達(dá)到 35 ℃ 之后，產(chǎn)電微生物的活性開始下降，可能是由于溫度的升高使得陽極產(chǎn)電微生物不再適合該環(huán)境，其電化學(xué)活性降低，從而導(dǎo)致MFC的最大電壓輸出電壓降低。

2.2 模擬生活廢水中葡萄糖濃度對微生物產(chǎn)電性能的影響

從圖2、3可知，模擬生活廢水中不同濃度的葡萄糖對MFC輸出電壓是有影響的，在模擬生活廢水中葡萄糖濃度為 1 mmol·L-1時(shí)，MFC的最大輸出電壓為 0.126 V;在葡萄糖濃度為 10 mmol·L-1模擬生活廢水中，MFC的最大輸出電壓為 0.326 V，這說明MFC最大穩(wěn)定輸出電壓隨著模擬生活廢水中葡萄糖濃度的增加而升高，但是增加的幅度在減小， MFC的最大輸出電壓趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)了“飽和效應(yīng)”。從圖2可知，MFC穩(wěn)定放電時(shí)間隨模擬生活廢水中葡萄糖的濃度的增加而增加。

圖2 不同葡萄糖濃度對MFC輸出電壓的影響

由圖4可知，當(dāng)模擬生活廢水中葡萄糖的濃度從 1 mmol·L-1提高到 10 mmol·L-1時(shí)，MFC的最大輸出功率由 31.00 mW·m-3提高到 846.87 mW·m-3，這說明模擬生活廢水中葡萄糖濃度的增大，會使MFC的內(nèi)阻減小，其能量的損耗也會減小，對外電路輸出的電能就越高。

圖4 不同葡萄糖濃度的MFC最大輸出功率與內(nèi)阻之間關(guān)系

由圖5可知，在模擬生活廢水中葡萄糖的濃度為1～10 mmol·L-1時(shí)，葡萄糖的濃度越高，COD的去除率越高。當(dāng)模擬生活廢水中葡萄糖濃度為 10 mmol·L-1時(shí)，COD去除率可高達(dá)46.11%，但是葡萄糖的濃度不能無限增大， 當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，其去除率將不再增加，并且葡萄糖的濃度太大時(shí)會造成資源的浪費(fèi)，出水水質(zhì)會不達(dá)標(biāo)，對水處理是不利的，所以模擬生活廢水中葡萄糖的濃度并不是越大越好。

綜合圖2～5，說明模擬生活廢水中葡萄糖濃度維持在 10 mmol·L-1時(shí)，其輸出電壓最大，維持的時(shí)間最久，最大輸出功率密度最大，內(nèi)阻最小，COD去除率最高可達(dá)46.11%。

3 結(jié) 論

1)本實(shí)驗(yàn)用硫酸鐵、硫酸鎳、石墨粉、高嶺土和聚四氟乙烯(60%的分散液)為陰極材料，制作陰極，較Pt材質(zhì)的價(jià)格低廉，在水處理方面具有較大的優(yōu)勢。

2)通過對單室空氣陰極燃料電池處理模擬廢水實(shí)驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)，模擬生活廢水中葡萄糖的濃度、溫度會對MFC的產(chǎn)電性能產(chǎn)生顯著的影響。當(dāng)模擬生活廢水中葡萄糖濃度控制在 10 mmol·L-1，溫度控制在 35 ℃ 時(shí)，具有最佳的電化學(xué)性能，其輸出電壓為 0.326 V，維持的時(shí)間為 1 120 min，最大輸出功率密度為 846.87 mW·m-3，內(nèi)阻為 240 Ω，COD去除率為46.11%。