MFC的研究现状1 阳极、阴极及膜(1)阳极对碳纸、石墨和碳毡三种阳极材料的产电性能比较表明,阳极比表面积越大,表面电位越低,则生物量越高,内阻越小[4]。将石墨和碳毡作为阳极填料,组装成填料型MFC时,碳毡作为填料时,最大功率密度为1502 mW/m2,优于石墨;将碳毡与碳纸烧结为一体,最大功率密度可上升到2426 mW/m2[5]。在空气阴极MFC中用氨气预处理碳布阳极,可以大幅增强细菌对电极的附着,显著提高功率密度[6]。在单室MFC阳极生物膜覆盖率不同情况下(0.44%,96%)系统产电的研究表明,96%覆盖率下,电池比功率、有机物去除率等优于其它情况,说明阳极的生物膜对于胞外电子传递起到关键作用[7]。63854

除了常用的碳电极和石墨电极,也有研究者参考厌氧滤池设计理念,在阳极室中采用了不锈钢网作为电极,但实验发现,金属表面的催化性能对产电的影响要大于金属本身的活泼性的影响[8]。

(2)阴极

传统的催化剂Pt价格昂贵,且容易中毒失效。空气阴极MFC中,阴极载铂面面向空气和溶液时,最大功率分别为0.144 mW和 1.16 mW,最大输出电压分别为0.400 V和0.500 V。其面向溶液时,阴极内表面形成一层生物膜,库仑效率增加,系统内阻较低[9]。采用FePc和CoTMPP两种催化剂替换原有的传统催化剂Pt,对MFC的阴极进行改性,可获得相当的效果[10]。向单室MFC中的空气阴极表面添加碳/聚四氟乙烯涂层,可以改进电极结构并减少阴极渗水;添加4层时,最大功率密度和库仑效率分别增加42%和200%[11]。对单室无介体MFC阴极板中铁离子含量对产电影响的研究发现,电能的输出主要依赖吸附在电极表面的细菌形成的生物膜,而与悬浮在溶液中的细菌基本无关[12]。

对阴极进行优化的一个新方向是采用生物阴极。Chen等在两室MFC中采用了生物阴极,两个月启动期后产电量达19.53 W/m3,但是阴极微生物的功能还不清楚[14]。Zhang等向阳极和阴极分别加入厌氧及好氧污泥进行接种,9天后MFC启动,功率密度可达24.7 W/m3,并提出该电池中阴极为限制因子[15]。

(3)膜

质子交换膜是MFC重最常用的膜。对阳离子交换膜(CEM)、阴离子交换膜(AEM)、质子交换膜(PEM)和超滤膜在MFC中的研究表明,AEM获得的功率密度和库仑效率最高。这些膜对低内阻的MFC的最大功率密度有影响,而对高内阻MFC无影响;使用膜的最大优点是增加库仑效率[16]。虽然在MFC的研究中广泛使用膜,但其价格较高且存在膜污染的问题,从工程经济角度考虑,未来的发展趋势是不再使用膜。论文网

2 MFC中的产电微生物

在微生物燃料电池中,由于接种物和基质的来源不同,形成的微生物种群也有很大的差异。目前,对于可与电极作用的微生物命名尚未标准化。微生物燃料电池阳极中,常见的微生物为α-,β-,γ- 以及δ-Proteobacteria,Firmicute,Acidobacteria等[17]。

采用污水、污泥接种电池阳极,对混合细菌产电进行的研究较多。在酸性条件下,用选择性培养的产氢混合菌种对合成化学废水产电进行研究,COD去除率62.9%;最大功率输出0.198 W/kgCODR[18]。崔龙涛等以破碎厌氧颗粒污泥上清液接种,以城市污水为试验用水时,功率密度达117.5 mW/m2[19]。Jung等以醋酸,乳酸和葡萄糖为基质研究了电池阳极的微生物种群,发现所有种群的序列均与Geobacter sulfurreducens以及非培养的Bacteroidetes高度相似。光照条件下,利用富集光合细菌在MFC中产电,获得2650 mW/m2的功率密度,该研究表明,微生物分泌的含有吲哚基团的介体辅助了电子传递[20]。

许多研究者也采用纯菌进行了产电研究。将制糖废水中分离出来的Clostridium sp.用于接种MFC阳极,并将微生物物理吸附、或共价联接在电极上,采用循环伏安法证明了酵母菌Hansenula anomala能够直接传递电子,并分析了微生物胞外氧化还原酶。采用循环伏安法对厌氧培养的菌株S12进行曲线扫描,证明其具有一定电化学活性[21]。另外,利用Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) strain L17构建MFC,实验证明,该菌在燃料和电极之间进行了直接电子传递[22]。但是以嗜酸细菌Acidiphilium cryptum构建MFC,采用铁作为介体,pH值≤4.0,实验条件下未发现微生物到阳极的直接电子传递现象[23]。

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