谢磊磊，陈利生，李 然，吴文彬

(昆明冶金高等专科学校环境与化工学院,云南 昆明 650033)

1996年，诺贝尔化学奖获得者Smalley R.说过,“能源问题是人类文明发展所面临的最严峻的问题”[1]。世界人口数量的不断增长和经济的发展，引发的环境问题日趋严重，使得探索和发展新型能源成为全世界关注的焦点[2]。

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell，MFC)是利用化学装置将微生物代谢产生的能量转化为电能的装置[3-5]。微生物燃料电池可以利用废水中的有机物进行发电，并产生电能。这是一种高效益、低能耗的新型废水处理工艺[6-8]。2003年，利用微生物发电技术取得了较大突破[9-13],MFC在环境领域的研究和应用也逐步发展起来。

目前，MFC在国内可用于处理食品废水[14-15]、生活废水[16]、城市废水[17]、农业废水[18]等，这些有机废水由于易降解、生化性好，应用MFC技术均取得了较好的处理效果，但由于使用贵金属，且结构多以双室为主，使得成本较高。研究单室燃料电池和较廉价的金属阳极的较少。

本文拟寻找一种廉价的阴极材料，并优化实验条件，同时考察微生物燃料电池的运行特性和COD去除率，为MFC处理生活废水工业化应用奠定一定的理论基础。

1 实验部分

1.1 工作原理

阳极室在厌氧环境下，使具有电化学活性的微生物将有机物催化氧化，并从中获取能量。细胞呼吸过程中释放电子，通过辅酶和氧化还原型媒介传递到阳极，在外电路中形成电流。在反应过程中产生的质子通过质子交换膜到达阴极，并在阴极催化剂存在条件下与氧气和电子结合生成水[19]。

1.2 电池结构与材料

本实验采用单室微生物燃料电池，阳极室中填充碳毡，阳极室的几何尺寸为 8 cm×8 cm×8 cm，阳极为直径3 cm 碳棒，质子交换膜采用Nafion117,两极间距保持在 2 cm，阴阳极用铜导线连接，阳极密封并保持厌氧环境。碳毡采用 0.5 mol·L-1HCl浸泡 2 h，再用 0.5 mol·L-1NaOH浸泡 2 h，最后用去离子水洗涤。Nafion117膜分别在 80 ℃ 的30%H2O2、去离子水、50%H2SO4、去离子水中各处理 1 h，电池外接 1 000 Ω恒电阻，在线驯化15天，混合菌种取自某中水处理站厌氧池，在此基础上做温度、浓度条件实验。

表1 模拟生活废水组成及配比

1.3 模拟生活废水的组成

模拟生活废水的成分与生活废水成分接近，详见表1。本次实验只考虑模拟废水中葡萄糖浓度对MFC产电性能的影响和COD的去除率，故忽略其他成分对本实验的影响。表1中的C6H12O6质量浓度为 1.8 g·L-1,其COD浓度相当于 10 mmol·L-1。在后续实验中只改变C6H12O6质量浓度而其他成分不变。由于葡萄糖较易降解，微生物比较容易利用，作为模拟生活废水时，其浓度比较好控制，是模拟生活废水较好的选择。

1.4 阴极组成

以硫酸铁、硫酸镍、石墨粉、高岭土和聚四氟乙烯(60%的分散液)为阴极材料，按一定比例混合制成阴极。

1.5 实验设计和数据处理

将1.1—1.4所准备的实验材料进行组装，在线驯化 15 d 后，启动燃料电池。考察不同葡萄糖浓度、不同温度对MFC产电性能及COD去除率的影响。本实验中COD测定采用重铬酸钾法进行，并通过UT803数字万用表自动每隔 10 min 采集一个电压数据。

图1 不同温度下MFC输出的稳定电压值

2 结果与讨论

2.1 温度对输出电压的影响

从图1可知，在 20～35 ℃ 之间，MFC的最大输出电压随着温度的升高从 0.459 V(20 ℃)增至 0.486 V(35 ℃)。这说明在 20～35 ℃ 之间，产电微生物的活性随温度的升高是增强的。当温度超过 35 ℃ 时，MFC的最大输出电压随温度升高从 0.486 V(35 ℃)下降到 0.421 V(40 ℃)。而当温度达到 35 ℃ 之后，产电微生物的活性开始下降，可能是由于温度的升高使得阳极产电微生物不再适合该环境，其电化学活性降低，从而导致MFC的最大电压输出电压降低。

2.2 模拟生活废水中葡萄糖浓度对微生物产电性能的影响

从图2、3可知，模拟生活废水中不同浓度的葡萄糖对MFC输出电压是有影响的，在模拟生活废水中葡萄糖浓度为 1 mmol·L-1时，MFC的最大输出电压为 0.126 V;在葡萄糖浓度为 10 mmol·L-1模拟生活废水中，MFC的最大输出电压为 0.326 V，这说明MFC最大稳定输出电压随着模拟生活废水中葡萄糖浓度的增加而升高，但是增加的幅度在减小， MFC的最大输出电压趋于稳定，出现了“饱和效应”。从图2可知，MFC稳定放电时间随模拟生活废水中葡萄糖的浓度的增加而增加。

图2 不同葡萄糖浓度对MFC输出电压的影响

由图4可知，当模拟生活废水中葡萄糖的浓度从 1 mmol·L-1提高到 10 mmol·L-1时，MFC的最大输出功率由 31.00 mW·m-3提高到 846.87 mW·m-3，这说明模拟生活废水中葡萄糖浓度的增大，会使MFC的内阻减小，其能量的损耗也会减小，对外电路输出的电能就越高。

图4 不同葡萄糖浓度的MFC最大输出功率与内阻之间关系

由图5可知，在模拟生活废水中葡萄糖的浓度为1～10 mmol·L-1时，葡萄糖的浓度越高，COD的去除率越高。当模拟生活废水中葡萄糖浓度为 10 mmol·L-1时，COD去除率可高达46.11%，但是葡萄糖的浓度不能无限增大， 当达到饱和状态时，其去除率将不再增加，并且葡萄糖的浓度太大时会造成资源的浪费，出水水质会不达标，对水处理是不利的，所以模拟生活废水中葡萄糖的浓度并不是越大越好。

综合图2～5，说明模拟生活废水中葡萄糖浓度维持在 10 mmol·L-1时，其输出电压最大，维持的时间最久，最大输出功率密度最大，内阻最小，COD去除率最高可达46.11%。

3 结 论

1)本实验用硫酸铁、硫酸镍、石墨粉、高岭土和聚四氟乙烯(60%的分散液)为阴极材料，制作阴极，较Pt材质的价格低廉，在水处理方面具有较大的优势。

2)通过对单室空气阴极燃料电池处理模拟废水实验的研究发现，模拟生活废水中葡萄糖的浓度、温度会对MFC的产电性能产生显著的影响。当模拟生活废水中葡萄糖浓度控制在 10 mmol·L-1，温度控制在 35 ℃ 时，具有最佳的电化学性能，其输出电压为 0.326 V，维持的时间为 1 120 min，最大输出功率密度为 846.87 mW·m-3，内阻为 240 Ω，COD去除率为46.11%。