不同电流工况下平板式微生物燃料电池生物膜及性能响应特性

摘要

微生物燃料电池(MFC)是一种采用微生物为催化剂将有机废水中的化学能转化为电能的装置,以其在处理废水的同时可产出电能这一独特的优势受到了国内外研究者们广泛的的关注。目前MFC功率密度还较低,还无法满足未来实际应用的需求。影响其功率密度的因素很多,如反应器结构、电极材料、阳极生物膜、电子传输机制和操作参数等。与化学燃料电池相比,MFC生物膜及性能对变工况运行条件下的响应是较缓慢的生物电化学过程,工况的变化对阳极生物膜内部的物质传输及电池性能都具有重要的影响,因此对运行工况变化时MFC的生物膜及性能响应研究具有重要的意义。
　　本文针对不同电流运行工况,通过恒流源控制MFC实际运行电流的大小,考查不同电流运行工况时生物膜结构及性能的响应特性,具体包括不同恒电流、阶梯电流和反极电流三种运行工况。主要研究成果如下:
　　(1)对启动完成后的MFC对比研究了不同恒电流工况下MFC阳极生物膜结构及性能特性。实验中对100Ω启动完成后的MFC分别加载0.75mA、4mA、7.5mA、9mA电流运行10天。研究结果表明,随着MFC加载电流的增加,阳极生物膜内活性生物量和胞外聚合物逐渐增加,阳极生物膜活性也逐渐增强,同时阳极内阻逐渐减小。与持续以100Ω电阻条件下运行的电池对比,以9mA电流运行后的MFC生物膜表面出现了明显的多孔结构,有利于生物膜内底物的传入和产物的传出,最终使得加载9mA电流的性能最佳,最大功率密度和最大电流密度分别达到2.6±0.2W·m-2和11.3±0.3A·m-2。
　　(2)考虑到采用大电流长期运行时MFC易发生反极,本文采用阶梯电流(7.5mA/0.75mA;7.5mA/开路)运行模式,研究了此工况下MFC阳极生物膜结构及性能的响应特性。研究结果表明,采用7.5mA/0.75mA和7.5mA/开路两种阶梯电流运行模式下MFC阳极生物膜活性生物量、生物膜活性和最大输出功率密度(2.0W·m-2)均相近,但和以7.5mA的恒电流运行的电池相比,阳极生物膜活性生物量和生物膜活性均降低,这也导致最大功率密度下降15％。这说明持续加载恒定大电流运行的MFC可维持较高的生物膜活性和功率输出。
　　(3)由于MFC经常发生反极现象,而长期处于反极条件下的MFC阳极生物膜可能会发生脱离,导致MFC阳极生物膜电化学活性和性能大大降低。因此,本文研究了反极电流条件下MFC阳极生物膜的响应和产电特性。研究结果表明,随着施加反极电流时间的增加,MFC最大功率密度呈逐渐减小的趋势。当施加的反极电流时间大于12h时,电池最大功率密度几乎降至为零。当电池恢复运行6天后,反极电流时间为10min的MFC性能可以恢复至未施加反极电流前的水平。而对于施加反极电流大于1h的MFC,其性能仅能恢复至原性能的85％。循环伏安法和生物膜干重测量结果表明,造成上述现象的原因主要是由于当施加的反极电流时间大于1h时,阳极生物膜活性略有下降且生物膜干重减少所致。