以Shewanella decolorationis S12構(gòu)建的單室微生物燃料電池產(chǎn)電特性研究.pdf

1、工業(yè)化的發(fā)展和人口膨脹對(duì)資源和環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅，資源短缺、能源危機(jī)引發(fā)了重視生物產(chǎn)能的研究。合理利用資源，實(shí)現(xiàn)廢物的綜合利用，建立節(jié)約型和諧社會(huì)是緩解能源短缺、降低環(huán)境污染的有效途徑。而微生物燃料電池正是一項(xiàng)充分降解有機(jī)廢物將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的新能源技術(shù)。該技術(shù)使污水、污泥、垃圾等環(huán)境污染物的治理過程中轉(zhuǎn)化產(chǎn)生生物質(zhì)能源成為可能。本文主要利用單室微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)，研究脫色希瓦氏菌S12

2、產(chǎn)電特性，為進(jìn)一步研究微生物燃料電池的特性，改善其產(chǎn)電效率提供科學(xué)理論依據(jù)。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果概括如下： 1.菌株S12有一定的電化學(xué)活性，是進(jìn)行微生物燃料電池產(chǎn)電研究的理想菌株。早期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)希瓦氏菌S12具有強(qiáng)的鐵還原能力，本實(shí)驗(yàn)采用循環(huán)伏安法(cyclic voltammograms，CV)檢測(cè)厭氧培養(yǎng)條件下菌株S12的電化學(xué)活性，結(jié)果表明菌株S12具有一定的電化學(xué)活性，可以用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)電實(shí)驗(yàn)。 2.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了具有利

3、福平抗性的S12菌有很高的偶氮還原和三價(jià)鐵還原能力。所以本文用S12菌作為微生物燃料電池的產(chǎn)電菌株。微生物燃料電池為單室，工作體積為100 mL，采用三合一膜電極結(jié)構(gòu)，陰陽(yáng)極面積均為20 c㎡。 3.以乳酸鈉為電子供體時(shí)菌株S12獲得最大的功率密度Pmax。研究了不同電子供體和供體濃度對(duì)菌株S12產(chǎn)電的影響，結(jié)果表明，以濃度為10 mmol/L，的不同有機(jī)酸(甲酸鈉、乳酸鈉和丙酮酸鈉)分別作為電子供體時(shí)，以乳酸鈉為電子供體產(chǎn)電量

4、最大，其最大功率密度Pmax為21.93 mW/㎡，丙酮酸鈉最不利于作為S12產(chǎn)電的電子供體，同時(shí)向乳酸鈉或甲酸鈉中添加丙酮酸鈉也不能增大產(chǎn)電量，由此可見，乳酸鈉是菌株S12產(chǎn)電的最佳電子供體。隨著乳酸鈉濃度的升高，菌株S12的產(chǎn)電量也相應(yīng)提高。當(dāng)乳酸鈉的濃度為20 mmol/L 時(shí)，所產(chǎn)生的最大功率密度達(dá)55.72 mW/㎡。但是乳酸鈉的濃度與產(chǎn)電量并不成正比關(guān)系，當(dāng)乳酸鈉的濃度升高至30 mmol/L，時(shí)，最大功率密度反而比20 m

5、mol/L時(shí)低。 4.菌株S12對(duì)數(shù)期的細(xì)胞產(chǎn)電量最高。采用不同生長(zhǎng)階段(對(duì)數(shù)期，穩(wěn)定期和衰亡期)的細(xì)胞作為MFC的接種源，確定用于接種MFC進(jìn)行產(chǎn)電的菌株S12的最佳生長(zhǎng)期，結(jié)果發(fā)現(xiàn)以對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞進(jìn)行接種時(shí)，MFC可獲得最高的產(chǎn)電量。 5.隨著產(chǎn)電反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)系統(tǒng)的pH逐漸升高并趨于穩(wěn)定。分析了pH隨著產(chǎn)電過程的變化。系統(tǒng)的起始pH值為6～7，在產(chǎn)電過程中，pH隨著產(chǎn)電反應(yīng)的進(jìn)行，由于氫離子不斷降低，鈉離子不

6、斷積累，需要的氫氧根離子也越來(lái)越多，pH不斷升高，最終升到7.5～8.5左右，pH達(dá)到一定的程度會(huì)抑制細(xì)菌的生理代謝，從而不能降解有機(jī)底物，產(chǎn)電也相應(yīng)的不能持續(xù)，pH最后趨于穩(wěn)定，需要向其中補(bǔ)加有機(jī)酸，一方面降低系統(tǒng)的pH值，使其滿足細(xì)菌的生長(zhǎng)條件，一方面補(bǔ)充了細(xì)菌需要的營(yíng)養(yǎng)，供其進(jìn)行生理代謝，從而可以恢復(fù)產(chǎn)電。 6.電子供體乳酸鈉的消耗速率與產(chǎn)電量相偶聯(lián)。利用HPLC技術(shù)對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中乳酸鈉的消耗速率進(jìn)行定量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著