电极面积对单室微生物燃料电池性能的影响
发布时间：2022-01-11 23:34
构建以老龄垃圾渗滤液为底物的空气阴极型单室微生物燃料电池（MFC）,研究阳极与阴极面积变化对微生物燃料电池产电性能和对老龄垃圾渗滤液处理效果的影响。结果表明,当3组电池阳极/阴极面积分别为7.065/7.065 cm2、12.56/7.065 cm2和12.56/3.14 cm2时,输出电压分别为105、160和50 mV,最大功率密度分别为33.7、96.4和5.7 mW/m3,内阻分别为577.6、433Ω和914Ω;COD去除率分别为21.4%、18.5%和47.6%,氨氮去除率分别为58.3%、73.9%和34.2%,溶液pH值呈上升趋势、电导率呈下降趋势。
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微生物燃料电池装置示意图
不同电极面积单室微生物燃料电池运行期间的输出电压如图2所示。1#MFC、2#MFC和3#MFC的阳极与阴极面积比分别为2.25∶2.25、4.00∶2.25和4.00∶1.00。由图2可知，3个电池最大稳定输出电压分别为105、160和50 m V。其中，1#MFC与2#MFC阴极面积相同，2#MFC的阳极面积是1#MFC的1.78倍，由于2#MFC电极表面附着的微生物相对较多，代谢能力较强，因此2#MFC输出电压高于1#MFC，为1#MFC的1.52倍。2#MFC与3#MFC阳极面积相同，阴极面积为3#MFC的2.25倍，由于增加了与电子受体即氧气的接触面积，加强了阴极的还原反应，故2#MFC最大输出电压为3#MFC的3.2倍。这表明增大电极面积有利于提高微生物燃料电池的输出电压，同时也表明，在一定面积范围内增加电极表面积时，增大阴极表面积比增大阳极表面积更有利于MFC产电性能的提高。另外，对比1#MFC与2#MFC、3#MFC与2#MFC可知，输出电压的增加与电极面积的增大不呈对应的倍数关系，这与冯雅丽等[17]得出的电池输出的结论一致，表明产电性能除受电极面积的影响外，与电极表面附着微生物量、代谢活性有关，还与阳极和阴极对系统产电能力的贡献不同有关[18]。另外，3个电池电压达到最大电压的时间不同，首先达到最大电压的是2#MFC，然后是3#MFC、1#MFC，由于2#MFC的阳极面积比1#MFC大、阴极面积比3#MFC大，阳极附着的微生物量较多，电子传递效率较高，同时阴极有足够与电子受体（氧气）接触的面积，有利于阴极反应的进行，故2#MFC电压升高较快。1#MFC与3#MFC相比，3#MFC有充足的阳极面积让产电菌附着，从而比2#MFC升高电压块，但阴极面积过小，接收电子能力有限，故最大输出电压小于2#MFC。
3个电池的极化曲线和功率密度曲线如图3所示。根据极化曲线计算出3个电池的内阻分别为577.6、433和914Ω。通常，增大电极面积能有效降低内阻[19]。2#MFC与1#MFC阴极面积相同，阳极面积是1#MFC的1.78倍，内阻减小25%;2#MFC与3#MFC阳极面积相等，阴极面积是3#MFC的2.25倍，内阻减小52.6%。与输出电压类似，阴极面积的变化对内阻的影响较大。由图3b可知，3个电池最大输出功率密度分别为33.7、96.4和5.7 m W/m3，内阻是影响微生物燃料电池产电性能的重要因素，以上实验结果说明，增加阴极面积或阳极面积均可减小电池内阻，提高电池的最大输出功率密度。3#MFC产电性能较差的原因还在于3#MFC的阳极面积相对阴极面积太大，阳极面积是阴极面积的4倍，过大的阳极面积会增加内阻，因为较大的阳极面积，给产电细菌提供了足够的生长空间，在同样的底物浓度下，产电细菌的生长较为分散，单位面积上的产电菌密度减小，与阳极液溶解氧接触的几率也相应增大，不利于阳极厌氧菌的生存，从而降低了电子的传递效率[20]。2.2 阴极阳极面积变化对垃圾渗滤液中污染物处理效果的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]阴极催化剂对微生物燃料电池性能的影响[J]. 谢淼,徐龙君,胡金凤,徐艳昭. 燃料化学学报. 2017(10)
[2]微生物燃料电池阳极氨损失机理研究[J]. 张建民,杨赛风,崔心水,闫龙梅. 中国给水排水. 2016(05)
[3]曝气生物滤池-臭氧组合工艺深度处理含盐污水的效果分析[J]. 龚朝兵,陈伟,侯章贵,肖立光,花飞. 石油化工技术与经济. 2015(06)
[4]电极面积对老龄垃圾渗滤液为底物的微生物燃料电池性能影响[J]. 程李钰,徐龙君. 燃料化学学报. 2015(08)
[5]膜面积及阳极面积对立方体型MFC产能影响的研究[J]. 王艳芳,刘百仓,李洪涛,郑哲. 科学技术与工程. 2013(25)
[6]电极面积和电极间距对立方体型MFCs产电能力的影响[J]. 王艳芳,刘百仓,郑哲,郑雪艳. 可再生能源. 2013(08)
[7]微生物燃料电池内阻及其影响因素分析[J]. 杨芳,李兆华,肖本益. 微生物学通报. 2011(07)
[8]微生物燃料电池运行条件的优化[J]. 王万成,陶冠红. 环境化学. 2008(04)
[9]单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析[J]. 冯雅丽,李浩然,祝学远. 北京科技大学学报. 2007(S2)
[10]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
本文编号：3583658
【文章来源】：太阳能学报. 2020,41(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
微生物燃料电池装置示意图
不同电极面积单室微生物燃料电池运行期间的输出电压如图2所示。1#MFC、2#MFC和3#MFC的阳极与阴极面积比分别为2.25∶2.25、4.00∶2.25和4.00∶1.00。由图2可知，3个电池最大稳定输出电压分别为105、160和50 m V。其中，1#MFC与2#MFC阴极面积相同，2#MFC的阳极面积是1#MFC的1.78倍，由于2#MFC电极表面附着的微生物相对较多，代谢能力较强，因此2#MFC输出电压高于1#MFC，为1#MFC的1.52倍。2#MFC与3#MFC阳极面积相同，阴极面积为3#MFC的2.25倍，由于增加了与电子受体即氧气的接触面积，加强了阴极的还原反应，故2#MFC最大输出电压为3#MFC的3.2倍。这表明增大电极面积有利于提高微生物燃料电池的输出电压，同时也表明，在一定面积范围内增加电极表面积时，增大阴极表面积比增大阳极表面积更有利于MFC产电性能的提高。另外，对比1#MFC与2#MFC、3#MFC与2#MFC可知，输出电压的增加与电极面积的增大不呈对应的倍数关系，这与冯雅丽等[17]得出的电池输出的结论一致，表明产电性能除受电极面积的影响外，与电极表面附着微生物量、代谢活性有关，还与阳极和阴极对系统产电能力的贡献不同有关[18]。另外，3个电池电压达到最大电压的时间不同，首先达到最大电压的是2#MFC，然后是3#MFC、1#MFC，由于2#MFC的阳极面积比1#MFC大、阴极面积比3#MFC大，阳极附着的微生物量较多，电子传递效率较高，同时阴极有足够与电子受体（氧气）接触的面积，有利于阴极反应的进行，故2#MFC电压升高较快。1#MFC与3#MFC相比，3#MFC有充足的阳极面积让产电菌附着，从而比2#MFC升高电压块，但阴极面积过小，接收电子能力有限，故最大输出电压小于2#MFC。
3个电池的极化曲线和功率密度曲线如图3所示。根据极化曲线计算出3个电池的内阻分别为577.6、433和914Ω。通常，增大电极面积能有效降低内阻[19]。2#MFC与1#MFC阴极面积相同，阳极面积是1#MFC的1.78倍，内阻减小25%;2#MFC与3#MFC阳极面积相等，阴极面积是3#MFC的2.25倍，内阻减小52.6%。与输出电压类似，阴极面积的变化对内阻的影响较大。由图3b可知，3个电池最大输出功率密度分别为33.7、96.4和5.7 m W/m3，内阻是影响微生物燃料电池产电性能的重要因素，以上实验结果说明，增加阴极面积或阳极面积均可减小电池内阻，提高电池的最大输出功率密度。3#MFC产电性能较差的原因还在于3#MFC的阳极面积相对阴极面积太大，阳极面积是阴极面积的4倍，过大的阳极面积会增加内阻，因为较大的阳极面积，给产电细菌提供了足够的生长空间，在同样的底物浓度下，产电细菌的生长较为分散，单位面积上的产电菌密度减小，与阳极液溶解氧接触的几率也相应增大，不利于阳极厌氧菌的生存，从而降低了电子的传递效率[20]。2.2 阴极阳极面积变化对垃圾渗滤液中污染物处理效果的影响
【参考文献】：
期刊论文
[1]阴极催化剂对微生物燃料电池性能的影响[J]. 谢淼,徐龙君,胡金凤,徐艳昭. 燃料化学学报. 2017(10)
[2]微生物燃料电池阳极氨损失机理研究[J]. 张建民,杨赛风,崔心水,闫龙梅. 中国给水排水. 2016(05)
[3]曝气生物滤池-臭氧组合工艺深度处理含盐污水的效果分析[J]. 龚朝兵,陈伟,侯章贵,肖立光,花飞. 石油化工技术与经济. 2015(06)
[4]电极面积对老龄垃圾渗滤液为底物的微生物燃料电池性能影响[J]. 程李钰,徐龙君. 燃料化学学报. 2015(08)
[5]膜面积及阳极面积对立方体型MFC产能影响的研究[J]. 王艳芳,刘百仓,李洪涛,郑哲. 科学技术与工程. 2013(25)
[6]电极面积和电极间距对立方体型MFCs产电能力的影响[J]. 王艳芳,刘百仓,郑哲,郑雪艳. 可再生能源. 2013(08)
[7]微生物燃料电池内阻及其影响因素分析[J]. 杨芳,李兆华,肖本益. 微生物学通报. 2011(07)
[8]微生物燃料电池运行条件的优化[J]. 王万成,陶冠红. 环境化学. 2008(04)
[9]单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析[J]. 冯雅丽,李浩然,祝学远. 北京科技大学学报. 2007(S2)
[10]微生物燃料电池表观内阻的构成和测量[J]. 梁鹏,范明志,曹效鑫,黄霞,王诚. 环境科学. 2007(08)
本文编号：3583658
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