微生物燃料电池的原理、影响因素有哪些?

2020-12-17 09:50:05 浏览次数:1007

随着水环境污染问题日趋严重,研发绿色、低成本的水处理技术具有重要意义。微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)可以利用微生物为催化剂降解水中污染物,同时实现输出电能和废物资源化的功能。

<a target='_blank' href='/index.html'><strong>微生物燃料电池</strong></a>

一、MFC原理

MFC经典的双室结构,由阳极室、离子交换膜和阴极室组成。其产电原理是电活性微生物通过代谢分解阳极底物而产生电子和质子,由于阴极和阳极之间的电势差,阳极电子经由外电路传递至阴极,在阴极区供给电子受体,而质子则通过溶液或膜迁移到阴极区,与电子受体(一般为O2)结合接受电子生成水,从而形成回路,产生电能。

产电微生物可分为好氧菌、兼性厌氧菌以及严格厌氧菌。在自然条件下分离的可产电细菌主要为变形菌门(Proteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes),多为兼性厌氧菌。MFC的特性、功能与应用范围很大程度上取决于产电菌的能力,这也是MFC区别于传统厌氧降解最本质所在。其中,希瓦氏菌(Shewanella)是被最广泛研究的兼性厌氧菌,该属的很多菌都可以产电,但其产电库仑效率低,只可利用小分子有机酸为电子供体。

电子传递是实现MFC能源化的关键步骤。阳极微生物产生的电子从溶液中传递到电极表面的转移机制,公认的有纳米导线、电子中介体以及细胞直接接触3种。部分细菌(Geobacter sulfurreducens)的表面存在纳米级菌毛,起到类似于导线的作用。此外,中性红、可溶性醌、AQDS和硫堇等电子传递中间体也被广泛研究。电子传递中间体虽然可以提供有效的电子传递通道,但必须延长电子传递的途径,使得MFC总产电效果不够理想。此外,电子传递中间体易流失造成二次污染、提高成本,并对阳极产电菌产生影响。细胞直接接触是利用部分阳极菌产生的细胞色素和醌类等物质,将细胞膜内的电子直接转移至电极,常见的阳极菌包括地杆菌(Geobacteraceae)、腐败希瓦菌(Shewanella putrefaciens)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)等。


二、MFC影响因素

MFC内阻大、电流不稳定、材料价格昂贵等明显缺点,使得其没有脱离开实验室研究范畴,在中试放大应用到生产实际中受很多因素的限制。

1.电池构型

MFC的构造是影响其性能的重要因素。目前普遍研究的MFC反应器主要分为单室、双室两类。

单室空气阴极MFC是目前使用较多的一种构型。阴阳极处于同一反应室,阴极直接暴露在空气中。不需要外界曝气,阴极直接利用空气中的O2为电子受体生成H2O,没有二次污染;且反应器中间没有隔膜,内阻较小,具有良好的发展前景。有文献指出,单电极结构的MFC输出功率远高于其他构型的电池。O2传质是影响空气阴极MFC的关键因素,高O2含量可以提高阴极半反应,但过高会危害阳极厌氧产电菌。目前,单室空气阴极MFC的库仑效率偏低,制约了其实际生产应用。

MFC最典型的结构是双室式。如图2b所示,双室MFC结构简单,易于改变实验条件,便于分别对阳极、分隔膜、阴极进行研究。但由于阴极室和阳极室间存在一定距离,使得传质阻力较大,电阻较高,产电密度相对较低。分隔膜材料的主要作用是传递质子,并阻挡阴极室的O2进入阳极。常用的交换膜主要有阳离子交换膜、质子交换膜,但普遍价格偏高,不利于扩大化应用。

2.底物种类

底物是富集阳极产电菌的关键。降解底物不同,MFC的电化学性能不同。Mateo等最新研究表明:当底物分别为乙酸盐、乳酸盐、葡萄糖和辛酸时,乙酸钠可使MFC具有最佳的性能(最大功率为2 W/m2,最大电流密度为20 A/m2)。越来越多的化学品被用来当作阳极产电菌的碳源,包括小分子类(羧酸和醇)、大分子类(啤酒厂废水和尿液),更多的底物见表2。已有文献证实,产电菌能够完全靠自身氧化容易降解的底物,但是降解复杂底物时,则需要其他微生物的配合。

3.电极材料

目前,MFC的研究正处于实验室或小批量试验水平,在实际应用中电池输出功率比较低(一般<10 W/m2),这主要是由于电子在产电菌和外电极之间转移困难。因此,研发高性能MFC阳极材料尤为重要。优良的阳极材料应具有低电阻、抗腐蚀、高孔隙率以及高比表面积等特性。目前,研究中常用的阳极材料有碳纸、碳布、石墨棒、泡沫碳、不锈钢网和石墨纤维刷。最近,Wu等通过结合碳网和石墨纤维刷降解生活污水,其中碳网用于阻挡O2与纤维刷接触,纤维刷用于稳定碳网从微生物接收来的电子,实验结果表明,复合阳极比仅使用纤维刷的MFC产生的功率密度高出20%,比碳网阳极的功率密度高出150%。有学者研制了石墨烯掺杂聚苯胺的复合材料,将其涂抹在电极表面,结果表明,石墨烯含量为20%的复合电极电化学性能最好。此外,阴极催化剂也可以显著影响MFC产电性能。目前,对MFC阴极的研究多集中在非铂催化剂上。最近,Lv等报道了Fe(PO3)3/FeP/PGC作为阴极催化剂时,MFC最大功率输出为(1.162±0.022) W/m2,此外,工作1900 h之后阴极催化剂产生的最大功率密度仅下降4.56%,具有良好的耐久性。Farahani等研制出C(N)/MnOx-SP作为阴极催化剂,具有价格低廉的优点,且MFC峰值功率密度为467 mW/m2,高于Pt/C作为催化剂的功率密度(446 mW/m2)。

4.阳极微生物

在MFC的产电机理中,微生物降解污水会产生电子和质子。微生物活性的强弱直接影响其分解底物的速率与彻底程度。底物分解越彻底,电池的库仑效率也会越高。混菌型的MFC由于菌间具有协同作用,通常比纯菌型的MFC更容易形成生物膜,从而提高MFC的产电能力。影响微生物活性的外界因素都会对MFC产生一定影响,例如温度、pH、底物浓度等。王鑫等利用空气阴极MFC降解啤酒厂废水,发现30 ℃下MFC的最大输出功率是20 ℃下的1.11倍,但是库仑效率和COD去除率没有明显的变化,并通过变性梯度凝胶电泳发现,温度对阳极微生物种类和优势菌群具有很大影响。


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