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        陰極液組分對(duì)秸稈水解液產(chǎn)電性能的影響

        2020-03-04 05:16:38王美聰王紫諾張學(xué)軍沈陽(yáng)化工大學(xué)遼寧沈陽(yáng)110142
        化工管理 2020年2期
        關(guān)鍵詞:鐵氰化鉀功率密度內(nèi)阻

        王美聰 王紫諾 張學(xué)軍(沈陽(yáng)化工大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110142)

        0 引言

        我國(guó)是秸稈大國(guó),其中玉米秸稈年產(chǎn)量2.2億噸[1]。每年都有大量秸稈遭到焚燒,因此如何開(kāi)發(fā)利用玉米秸稈,實(shí)現(xiàn)玉米秸稈的生態(tài)高值利用,將其變廢為寶至關(guān)重要。微生物燃料電池(MFC)是一種新興的綠色可再生能源,能解決能源短缺與環(huán)境保護(hù)的重要技術(shù)[2]。將二者結(jié)合以此得到環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的雙收益顯得尤為重要。因此本文探討以秸稈水解液為陽(yáng)極液時(shí),哪種組分的陰極液能盡可能的提高其產(chǎn)電性能。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 陽(yáng)極液的配制

        在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前配置濃度1%的稀硫酸備用;將烘干好的玉米秸稈粉碎,并篩分20~40目的粒度以供使用;選擇液固比為15:1,將玉米秸稈顆粒溶于配制好的稀硫酸內(nèi),攪拌溶解后將放于80℃水浴鍋中反應(yīng)2h,獲得酸性物質(zhì);再用1%NaOH溶液進(jìn)行中和,獲得質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15g/L玉米秸稈水解液,其pH值范圍在7.0~7.2。

        陽(yáng)極液是秸稈水解液和微生物馴化液的混合液,產(chǎn)電微生物是實(shí)驗(yàn)組之前用的活性污泥,陽(yáng)極液的 pH值調(diào)節(jié)范圍為7.0~7.2。

        1.2 陰極液的配制

        三組實(shí)驗(yàn)的陰極液分別是25mM鐵氰化鉀溶液、1:1的25mM鐵氰化鉀與0.1mol/L氯化鈉混合溶液、0.1mol/L氯化鈉溶液。

        1.3 MFC系統(tǒng)構(gòu)建

        采用雙室型MFC,以活性污泥為菌種,連通電路后電池正式開(kāi)始運(yùn)行,在電腦端用數(shù)據(jù)采集卡記錄電壓情況,外接電阻為100Ω。實(shí)驗(yàn)中為室溫。

        1.4 MFC的測(cè)量方法

        實(shí)驗(yàn)平穩(wěn)運(yùn)行后,采用外阻遞減法[3]測(cè)量MFC的極化曲線。首先將外電路斷開(kāi)開(kāi)始記錄OCV,然后依次調(diào)節(jié)電阻箱的阻值(9000~100Ω),記錄下隨電阻變化的電壓值,每組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定時(shí)間為20分鐘左右。通過(guò)電化學(xué)工作站測(cè)得阻抗譜圖。

        極化曲線是電流密度與電壓形成的曲線。通過(guò)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(yáng)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)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 不同濃度的陽(yáng)極液的MFC產(chǎn)電量

        陰極液對(duì)微生物燃料電池的性能有較大影響[4],如圖1,在2000min左右電池啟動(dòng)結(jié)束,2000min至4450min之間,陰極液為鐵氰化鉀溶液時(shí)產(chǎn)電量最大為38mV,與其自身快速接受電子的能力有關(guān)。但在4450min后,以鐵氰化鉀和氯化鈉混合溶液為陰極液時(shí),其產(chǎn)電量最大為42mV,說(shuō)明氯化鈉溶液的良好導(dǎo)電性結(jié)合鐵氰化鉀溶液較強(qiáng)的電子接受能力,使產(chǎn)電效果更好。以氯化鈉為陰極液時(shí)最大電壓為14mV,其產(chǎn)電效果較差,分析可能的原因:濃度過(guò)小,使其導(dǎo)電性較低。7000min后產(chǎn)電量均呈下降趨勢(shì)。

        圖1 不同陰極液的MFC輸出電壓

        2.2 MFC功率密度及內(nèi)阻分析

        如圖2不同陰極液組分的秸稈水解液MFC的功率密度有明顯的差異。當(dāng)陰極液組分為氯化鈉溶液時(shí)最大功率密度為0.002W/m2,電流密度為0.018A/m2;當(dāng)陰極液組分為混合溶液時(shí)最大功率密度為0.013W/m2,電流密度為0.058A/m2,可知其產(chǎn)電量最大,但影響功率密度的因素較為復(fù)雜,其中受到內(nèi)阻的影響也較大,可能因其生物膜較厚,不易電子傳遞,導(dǎo)致內(nèi)阻增加。從而使功率密度下降[5]。當(dāng)陰極液組分為鐵氰化鉀溶液時(shí)最大功率密度為0.023W/m2,電流密度為0.077A/m2。由此可看出當(dāng)陰極液為鐵氰化鉀溶液時(shí)MFC功率密度較大。

        圖2 不同陰極液組分的MFC功率密度

        如圖3根據(jù)全電路 Ohm 定律可知:電池的內(nèi)阻是直線的斜率絕對(duì)值。陰極液組分為氯化鈉溶液、氯化鈉與鐵氰化鉀混合溶液、鐵氰化鉀溶液時(shí),內(nèi)阻分別為5.4762Ω、3.1409Ω、2.7248Ω。這也說(shuō)明,內(nèi)阻和功率密度大小是呈正比的,內(nèi)阻大小影響著產(chǎn)電效果,內(nèi)阻的減小有助于產(chǎn)電性能的提升。而鐵氰化鉀在電極表面反應(yīng)可逆性好,反應(yīng)速率快,與鐵氰化鉀可以加快傳質(zhì)過(guò)程,降低活化能等有關(guān)[6]。

        圖3 不同陰極液組分的MFC極化曲線

        3 結(jié)論

        (1)陰極液為氯化鈉和鐵氰化鉀混合溶液時(shí),,產(chǎn)電量最大,為42mv;陰極液為鐵氰化鉀溶液時(shí),最大功率密度為0.023W/m2,電流密度為0.077A/m2。內(nèi)阻最小,為2.7248Ω。

        (2)影響功率密度的因素較為復(fù)雜,降低內(nèi)阻可以提高產(chǎn)電性能。

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