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摘 要：该文主要利用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO23种不同阴极材料自制成微生物燃料电池（MFC）处理生物废弃物，通过相关指标的测定，比较3种阴极材料对MFC的处理效果及产电能力，从而对MFC的装置进行优化。结果表明：石墨-PbO2作为MFC的阴极材料，无论是降解有机物的效果还是产电能力方面都优于碳布及碳布-PbO2。
关键词：微生物燃料电池（MFC）；生物废弃物；阴极材料；降解效果；产电能力
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）23-88-03
微生物燃料电池（MFC）是利用电化学技术将微生物的代谢能转化为电能的一种装置，是在生物燃料电池基础上，伴随微生物、电化学及材料等学科的发展而发展起来的。MFC处理生物废弃物的创新之处在于有效地利用了废物中的有机质，可以同时实现产能和除废的双重目的，在生物制能和环境保护领域展现了巨大前景[1-2]。MFC代表了当今前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术[3]。对于MFC而言，电极材料关系到电池的内阻大小及其电子传输速率，对其产电性能有着显著的影响[3]。阴极一般采用碳布、石墨、碳刷为基本材料，但直接使用效果不佳，可通过附着高活性催化剂改善效果。催化剂通过降低阴极反应活化电势，从而加快传递速率[2，4-5]。本文主要利用MFC处理农贸市场的生物废弃物，考察3种不同阴极材料对MFC处理效果及产电能力的影响。
1 材料与方法
1.1 实验仪器 数显万用表；可调变阻器；电压实时监测仪（rbh8251）；TOC/TC分析仪（MUTI2100C/N）。
1.2 实验材料
1.2.1 电极材料 阳极采用碳纤维布，阴极分别采用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO2[6]。
1.2.2 盐桥的制作 在500.0mL烧杯中加入4.0g琼脂和200.0mL蒸馏水，用电炉加热，持续用玻璃棒搅拌直到琼脂全部溶解，然后加入60.0gKCl，持续搅拌直到完全溶解，再将混合溶液置于U型玻璃管内，等琼脂冷却为凝胶状，将过剩的琼脂清理掉，使琼脂与U形管齐平[7-8]。
1.2.3 厌氧活性污泥 取自某污水处理厂的厌氧污泥并用营养液驯化培养7d。
1.2.4 生物废弃物 试验材料为合肥市海恒农贸市场净菜后的垃圾，主要是以生物废弃物为主。垃圾分拣后进行清洗、晾洒、去除泥土和沙砾，再进行人工破碎，将垃圾切成1～2cm长后，利用植物组织粉碎机制成匀浆。
1.3 分析方法 MFC实时电压采集使用USB数据采集器及电压实时监测软件（rbh8251）将数据传送至计算机，电压记录频率为1Hz。极化曲线、功率密度曲线及最大功率密度：MFC产电稳定后断开外电路3～6h，从高电阻至低电阻100Ω改变外电阻，待电压稳定即可记录电压值。根据欧姆定律计算出电流密度I和功率密度P，结合功率密度曲线的最大功率密度点和极化曲线，利用欧姆定律即可计算出MFC稳定状态下的内阻R。用pHS-3E型酸度计测定pH值，用TOC分析仪通过差减法测定TOC含量。
1.4 微生物燃料电池的构建 本次实验是在参考国内外对MFC处理废水的研究的基础上对MFC处理废弃物的工艺做的初次探索。采用容积为2L的反应容器构建成双室MFC，阳极室充满生物废弃物和厌氧活性污泥的混合液，其添加比例为10∶3，并充N2约5min，以去除O2，确保阳极室的厌氧环境。阴极室则注满2L的磷酸盐缓冲溶液，并用空气泵曝气，曝气量为1.5L/min，用盐桥连接阴极室和阳极室，用导线连接1KΩ电阻和两端电极形成闭合回路。实验装置如图1所示。
3 结论
（1）反应过程中的pH值基本在6.3～7.3，且呈上升趋势，较适合反应微生物的生长。
（2）3种MFC对TOC的去除率以石墨-PbO2最高，碳布-PbO2次之，碳布最低。
（3）以石墨-PbO2为阴极材料的MFC产生的电压最高，功率密度达到52.1mW/m2，碳布-PbO2次之，以碳布为阴极材料的MFC产生的电压最低。
（4）对有机物的降解与产电能力进行综合评价可知，石墨-PbO2最优，碳布-PbO2次之，碳布最差。
参考文献
[1]洪义国，郭俊，孙国萍.产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J].微生物学报，2007，47（1）：1.
[2]曾丽珍，李伟善.微生物燃料电池电极材料的研究进展[J].电池工业，2009，14（4）：1-4.
[3崔亚伟，陈金发.厨余垃圾的资源化现状及前景展望[J].中国资源综合用，2006，24（10）：1-4.
[4]卢娜，周顺，桂倪晋.微生物燃料电池的产电机制[J].化学发展，2008，20（7）：3-6.
[5]Bailey M J，Biely P，Poutanen K J.Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase[J].Biotechnol，1992，23：257-270.
[6]黄霞，范明志，梁鹏，等.微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响[J].中国给水排水，2007，23（3）：8-12.
[7]秦旅.巧制盐桥[J].化学教育，1998，6：39.
[8]李炳焕，沈玉龙，贾静娴.盐桥的作用是什么[J].化学教育，2001，11：40-41. （责编：张宏民）
关键词：微生物燃料电池（MFC）；生物废弃物；阴极材料；降解效果；产电能力
中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2014）23-88-03
微生物燃料电池（MFC）是利用电化学技术将微生物的代谢能转化为电能的一种装置，是在生物燃料电池基础上，伴随微生物、电化学及材料等学科的发展而发展起来的。MFC处理生物废弃物的创新之处在于有效地利用了废物中的有机质，可以同时实现产能和除废的双重目的，在生物制能和环境保护领域展现了巨大前景[1-2]。MFC代表了当今前沿的废弃物资源化利用方向，有望成为未来有机废弃物能源化处置的支柱性技术[3]。对于MFC而言，电极材料关系到电池的内阻大小及其电子传输速率，对其产电性能有着显著的影响[3]。阴极一般采用碳布、石墨、碳刷为基本材料，但直接使用效果不佳，可通过附着高活性催化剂改善效果。催化剂通过降低阴极反应活化电势，从而加快传递速率[2，4-5]。本文主要利用MFC处理农贸市场的生物废弃物，考察3种不同阴极材料对MFC处理效果及产电能力的影响。
1 材料与方法
1.1 实验仪器 数显万用表；可调变阻器；电压实时监测仪（rbh8251）；TOC/TC分析仪（MUTI2100C/N）。
1.2 实验材料
1.2.1 电极材料 阳极采用碳纤维布，阴极分别采用石墨-PbO2、碳布、碳布-PbO2[6]。
1.2.2 盐桥的制作 在500.0mL烧杯中加入4.0g琼脂和200.0mL蒸馏水，用电炉加热，持续用玻璃棒搅拌直到琼脂全部溶解，然后加入60.0gKCl，持续搅拌直到完全溶解，再将混合溶液置于U型玻璃管内，等琼脂冷却为凝胶状，将过剩的琼脂清理掉，使琼脂与U形管齐平[7-8]。
1.2.3 厌氧活性污泥 取自某污水处理厂的厌氧污泥并用营养液驯化培养7d。
1.2.4 生物废弃物 试验材料为合肥市海恒农贸市场净菜后的垃圾，主要是以生物废弃物为主。垃圾分拣后进行清洗、晾洒、去除泥土和沙砾，再进行人工破碎，将垃圾切成1～2cm长后，利用植物组织粉碎机制成匀浆。
1.3 分析方法 MFC实时电压采集使用USB数据采集器及电压实时监测软件（rbh8251）将数据传送至计算机，电压记录频率为1Hz。极化曲线、功率密度曲线及最大功率密度：MFC产电稳定后断开外电路3～6h，从高电阻至低电阻100Ω改变外电阻，待电压稳定即可记录电压值。根据欧姆定律计算出电流密度I和功率密度P，结合功率密度曲线的最大功率密度点和极化曲线，利用欧姆定律即可计算出MFC稳定状态下的内阻R。用pHS-3E型酸度计测定pH值，用TOC分析仪通过差减法测定TOC含量。
1.4 微生物燃料电池的构建 本次实验是在参考国内外对MFC处理废水的研究的基础上对MFC处理废弃物的工艺做的初次探索。采用容积为2L的反应容器构建成双室MFC，阳极室充满生物废弃物和厌氧活性污泥的混合液，其添加比例为10∶3，并充N2约5min，以去除O2，确保阳极室的厌氧环境。阴极室则注满2L的磷酸盐缓冲溶液，并用空气泵曝气，曝气量为1.5L/min，用盐桥连接阴极室和阳极室，用导线连接1KΩ电阻和两端电极形成闭合回路。实验装置如图1所示。
3 结论
（1）反应过程中的pH值基本在6.3～7.3，且呈上升趋势，较适合反应微生物的生长。
（2）3种MFC对TOC的去除率以石墨-PbO2最高，碳布-PbO2次之，碳布最低。
（3）以石墨-PbO2为阴极材料的MFC产生的电压最高，功率密度达到52.1mW/m2，碳布-PbO2次之，以碳布为阴极材料的MFC产生的电压最低。
（4）对有机物的降解与产电能力进行综合评价可知，石墨-PbO2最优，碳布-PbO2次之，碳布最差。
参考文献
[1]洪义国，郭俊，孙国萍.产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J].微生物学报，2007，47（1）：1.
[2]曾丽珍，李伟善.微生物燃料电池电极材料的研究进展[J].电池工业，2009，14（4）：1-4.
[3崔亚伟，陈金发.厨余垃圾的资源化现状及前景展望[J].中国资源综合用，2006，24（10）：1-4.
[4]卢娜，周顺，桂倪晋.微生物燃料电池的产电机制[J].化学发展，2008，20（7）：3-6.
[5]Bailey M J，Biely P，Poutanen K J.Interlaboratory testing of methods for assay of xylanase[J].Biotechnol，1992，23：257-270.
[6]黄霞，范明志，梁鹏，等.微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响[J].中国给水排水，2007，23（3）：8-12.
[7]秦旅.巧制盐桥[J].化学教育，1998，6：39.
[8]李炳焕，沈玉龙，贾静娴.盐桥的作用是什么[J].化学教育，2001，11：40-41. （责编：张宏民）