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        羧甲基纖維素鈉為陽(yáng)極底物的微生物燃料電池產(chǎn)電性能

        2020-03-04 05:16:40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:功率密度羧甲基內(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)

        為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境二者間的平衡,尋找綠色新能源變得格外重要。作為新能源開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)之一的微生物燃料電池(MFC)是一種利用生物質(zhì)的化學(xué)能產(chǎn)生電能的理想裝置[1]。秸稈中蘊(yùn)含著豐富的化學(xué)能,其化學(xué)組成包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等,其中纖維素和半纖維素的含量超過(guò)70%,因此,如果將其在MFC中高效轉(zhuǎn)化為電能,不僅拓展了秸稈利用的新模式,更是拓寬了MFC的作用領(lǐng)域[2]。本文以羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)為MFC陽(yáng)極底物,通過(guò)改變陽(yáng)極底物中CMC-Na的濃度來(lái)考察其對(duì)MFC系統(tǒng)參數(shù)的影響,為明確將纖維素的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的系統(tǒng)關(guān)鍵因子提供更多理論參考。

        1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

        1.1 陽(yáng)極液的配制

        將適量羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)緩慢加入含有Na+,Ca2+,Mg2+離子的微生物馴化液中,放置在超聲波內(nèi)超聲30min,將pH調(diào)至7.2~7.4,獲得不同濃度的CMC-Na。

        1.2 枯草芽孢桿菌的馴化與接種

        枯草芽孢桿菌購(gòu)于中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心?;罨髮⒖莶菅挎邨U菌在如下滅菌后的固體培養(yǎng)基中培養(yǎng)2天:蛋白胨1g,牛肉膏0.3g,NaCl 0.5g,瓊脂1.5g,100mL 蒸餾水。之后再將菌挑到液體培養(yǎng)基中培養(yǎng)2天,最后將碳?xì)址胖闷渲欣^續(xù)培養(yǎng)2天后可用于MFC的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

        1.3 MFC系統(tǒng)構(gòu)建

        本實(shí)驗(yàn)采用雙室型MFC反應(yīng)裝置。外接電阻為100Ω。陽(yáng)極液是用微生物馴化液配置的一定濃度的羧甲基纖維素鈉溶液,陰極液是25mmol/L的鐵氰化鉀溶液,以枯草芽孢桿菌為產(chǎn)電菌,實(shí)驗(yàn)溫度均為室溫,陽(yáng)極保持厭氧狀態(tài)。

        1.4 MFC的數(shù)據(jù)測(cè)量與計(jì)算

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用多通道數(shù)據(jù)采集卡記錄MFC的電壓值。每60s測(cè)定一次。外接電阻R通過(guò)可調(diào)節(jié)電阻箱(ZX75)測(cè)量。由大到小(9000~200Ω)不斷改變陰極和陽(yáng)極之間的外阻,并記錄隨電阻變化的電壓值,每組數(shù)值的穩(wěn)定時(shí)間在20min左右。

        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)。循環(huán)伏安(CV)曲線通過(guò)電化學(xué)工作站測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)采用三電極體系。參比電極是Ag/AgCl電極[3]。循環(huán)伏安掃描掃描速率是10mV/s,范圍是-1.1~0.5V。

        2 結(jié)果與討論

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

        如圖1可知,當(dāng)羧甲基纖維素鈉的濃度為0.5g/L時(shí),產(chǎn)電量最大,可達(dá)147mV。當(dāng)陽(yáng)極液濃度過(guò)高時(shí),陽(yáng)極室中微生物有限,超出了其能降解的有機(jī)物范圍,多余部分不能被利用。而當(dāng)?shù)孜餄舛冗^(guò)小時(shí),由于碳源的不足,導(dǎo)致微生物無(wú)法利用更多有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)電。在何凡[4]等人的研究中發(fā)現(xiàn),底物濃度對(duì)產(chǎn)電量有一定的影響,同時(shí)對(duì)微生物降解底物的速率也有一定的限制。

        圖1 CMC-Na陽(yáng)極液的MFC電壓輸出

        2.2 MFC功率密度及內(nèi)阻分析

        由圖2可知,不同濃度的CMC-Na的功率密度有明顯的差異。當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度為0.5g/L時(shí),產(chǎn)電性能最好,功率密度最大為0.106W/m2。當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度為0.01%時(shí),最大產(chǎn)電功率較小,為0.035W/m2。

        圖2 CMC-Na陽(yáng)極液的MFC功率密度曲線

        由圖3通過(guò)擬合極化曲線可知,當(dāng)羧甲基纖維素鈉濃度分別為10g/L、2.5g/L、1g/L、0.5g/L、0.1g/L時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻分別為1.042Ω、0.4271Ω、0.8985Ω、0.3312Ω、0.5942Ω。同時(shí)通過(guò)觀察圖2 也可發(fā)現(xiàn),當(dāng)濃度為0.5g/L時(shí)產(chǎn)電量最高,內(nèi)阻最小。由此可知,MFC的產(chǎn)電效果與內(nèi)阻大小有關(guān)。Xu等研究亦表明減小內(nèi)阻會(huì)提高產(chǎn)電性能[5],因此,后續(xù)研究中會(huì)尋找此體系中減小MFC內(nèi)阻的方法。

        圖3 CMC-Na陽(yáng)極液的MFC極化曲線

        2.3 循環(huán)伏安曲線分析

        如圖4在CV曲線中出現(xiàn)氧化還原峰,是微生物在陽(yáng)極表面發(fā)生了對(duì)底物的代謝反應(yīng),產(chǎn)物在陰極還原所致[6]。濃度為0.5g/L的CMC-Na產(chǎn)電量最大,其CV曲線峰面積最大,氧化還原峰的明顯出現(xiàn)表明,其電極上存在電化學(xué)活性物質(zhì)促進(jìn)了氧化還原反應(yīng)的發(fā)生,生物膜具有更高的電化學(xué)活性,枯草芽孢桿菌的電活性更強(qiáng),MFC的電子轉(zhuǎn)移速率更高。

        圖4 CMC-Na陽(yáng)極液的循環(huán)伏安曲線

        3 結(jié)論

        (1)羧甲基纖維素鈉濃度為0.5g/L時(shí),產(chǎn)電量最大,可達(dá)147mv,最大功率密度為0.106W/m2,內(nèi)阻最小,為0.3312Ω。

        (2)當(dāng)陽(yáng)極液濃度過(guò)高時(shí),由于微生物有限,超出了其能降解的有機(jī)物范圍,多余底物不能被利用。而當(dāng)?shù)孜餄舛冗^(guò)小時(shí),由于碳源的不足,導(dǎo)致微生物無(wú)法利用更多有機(jī)物進(jìn)行產(chǎn)電。

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