陰極液組分對秸稈水解液產(chǎn)電性能的影響

王美聰 王紫諾 張學(xué)軍(沈陽化工大學(xué)，遼寧 沈陽 110142)

0 引言

我國是秸稈大國，其中玉米秸稈年產(chǎn)量2.2億噸[1]。每年都有大量秸稈遭到焚燒，因此如何開發(fā)利用玉米秸稈，實現(xiàn)玉米秸稈的生態(tài)高值利用，將其變廢為寶至關(guān)重要。微生物燃料電池(MFC)是一種新興的綠色可再生能源，能解決能源短缺與環(huán)境保護的重要技術(shù)[2]。將二者結(jié)合以此得到環(huán)保和經(jīng)濟的雙收益顯得尤為重要。因此本文探討以秸稈水解液為陽極液時，哪種組分的陰極液能盡可能的提高其產(chǎn)電性能。

1 實驗材料與方法

1.1 陽極液的配制

在實驗開始前配置濃度1%的稀硫酸備用；將烘干好的玉米秸稈粉碎，并篩分20～40目的粒度以供使用；選擇液固比為15:1，將玉米秸稈顆粒溶于配制好的稀硫酸內(nèi)，攪拌溶解后將放于80℃水浴鍋中反應(yīng)2h，獲得酸性物質(zhì)；再用1%NaOH溶液進行中和，獲得質(zhì)量分數(shù)為15g/L玉米秸稈水解液，其pH值范圍在7.0～7.2。

陽極液是秸稈水解液和微生物馴化液的混合液，產(chǎn)電微生物是實驗組之前用的活性污泥，陽極液的 pH值調(diào)節(jié)范圍為7.0～7.2。

1.2 陰極液的配制

三組實驗的陰極液分別是25mM鐵氰化鉀溶液、1:1的25mM鐵氰化鉀與0.1mol/L氯化鈉混合溶液、0.1mol/L氯化鈉溶液。

1.3 MFC系統(tǒng)構(gòu)建

采用雙室型MFC，以活性污泥為菌種，連通電路后電池正式開始運行，在電腦端用數(shù)據(jù)采集卡記錄電壓情況，外接電阻為100Ω。實驗中為室溫。

1.4 MFC的測量方法

實驗平穩(wěn)運行后，采用外阻遞減法[3]測量MFC的極化曲線。首先將外電路斷開開始記錄OCV，然后依次調(diào)節(jié)電阻箱的阻值(9000～100Ω)，記錄下隨電阻變化的電壓值，每組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定時間為20分鐘左右。通過電化學(xué)工作站測得阻抗譜圖。

極化曲線是電流密度與電壓形成的曲線。通過擬合極化曲線獲得曲線方程，方程的斜率即為內(nèi)阻。功率密度的計算公式是：P=U2/RA，其中A為陽極的有效面積。內(nèi)阻的計算公式是：PMax=E2/4r(P為功率，E為電勢，r為電池內(nèi)阻)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度的陽極液的MFC產(chǎn)電量

陰極液對微生物燃料電池的性能有較大影響[4]，如圖1，在2000min左右電池啟動結(jié)束，2000min至4450min之間，陰極液為鐵氰化鉀溶液時產(chǎn)電量最大為38mV，與其自身快速接受電子的能力有關(guān)。但在4450min后，以鐵氰化鉀和氯化鈉混合溶液為陰極液時，其產(chǎn)電量最大為42mV，說明氯化鈉溶液的良好導(dǎo)電性結(jié)合鐵氰化鉀溶液較強的電子接受能力，使產(chǎn)電效果更好。以氯化鈉為陰極液時最大電壓為14mV，其產(chǎn)電效果較差，分析可能的原因：濃度過小，使其導(dǎo)電性較低。7000min后產(chǎn)電量均呈下降趨勢。

圖1 不同陰極液的MFC輸出電壓

2.2 MFC功率密度及內(nèi)阻分析

如圖2不同陰極液組分的秸稈水解液MFC的功率密度有明顯的差異。當(dāng)陰極液組分為氯化鈉溶液時最大功率密度為0.002W/m2，電流密度為0.018A/m2；當(dāng)陰極液組分為混合溶液時最大功率密度為0.013W/m2，電流密度為0.058A/m2，可知其產(chǎn)電量最大，但影響功率密度的因素較為復(fù)雜，其中受到內(nèi)阻的影響也較大，可能因其生物膜較厚，不易電子傳遞，導(dǎo)致內(nèi)阻增加。從而使功率密度下降[5]。當(dāng)陰極液組分為鐵氰化鉀溶液時最大功率密度為0.023W/m2，電流密度為0.077A/m2。由此可看出當(dāng)陰極液為鐵氰化鉀溶液時MFC功率密度較大。

圖2 不同陰極液組分的MFC功率密度

如圖3根據(jù)全電路 Ohm 定律可知：電池的內(nèi)阻是直線的斜率絕對值。陰極液組分為氯化鈉溶液、氯化鈉與鐵氰化鉀混合溶液、鐵氰化鉀溶液時，內(nèi)阻分別為5.4762Ω、3.1409Ω、2.7248Ω。這也說明，內(nèi)阻和功率密度大小是呈正比的，內(nèi)阻大小影響著產(chǎn)電效果，內(nèi)阻的減小有助于產(chǎn)電性能的提升。而鐵氰化鉀在電極表面反應(yīng)可逆性好，反應(yīng)速率快，與鐵氰化鉀可以加快傳質(zhì)過程，降低活化能等有關(guān)[6]。

圖3 不同陰極液組分的MFC極化曲線

3 結(jié)論

(1)陰極液為氯化鈉和鐵氰化鉀混合溶液時，，產(chǎn)電量最大，為42mv；陰極液為鐵氰化鉀溶液時，最大功率密度為0.023W/m2，電流密度為0.077A/m2。內(nèi)阻最小，為2.7248Ω。

(2)影響功率密度的因素較為復(fù)雜，降低內(nèi)阻可以提高產(chǎn)電性能。