羧甲基纖維素鈉為陽極底物的微生物燃料電池產電性能

王美聰 王紫諾 張學軍(沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142)

為了實現經濟增長和生態環境二者間的平衡，尋找綠色新能源變得格外重要。作為新能源開發的焦點之一的微生物燃料電池(MFC)是一種利用生物質的化學能產生電能的理想裝置[1]。秸稈中蘊含著豐富的化學能，其化學組成包括纖維素、半纖維素和木質素等，其中纖維素和半纖維素的含量超過70%，因此，如果將其在MFC中高效轉化為電能，不僅拓展了秸稈利用的新模式，更是拓寬了MFC的作用領域[2]。本文以羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)為MFC陽極底物，通過改變陽極底物中CMC-Na的濃度來考察其對MFC系統參數的影響，為明確將纖維素的化學能轉化為電能的系統關鍵因子提供更多理論參考。

1 實驗材料與方法

1.1 陽極液的配制

將適量羧甲基纖維素鈉(CMC-Na)緩慢加入含有Na+，Ca2+，Mg2+離子的微生物馴化液中，放置在超聲波內超聲30min，將pH調至7.2～7.4，獲得不同濃度的CMC-Na。

1.2 枯草芽孢桿菌的馴化與接種

枯草芽孢桿菌購于中國普通微生物菌種保藏管理中心。活化后將枯草芽孢桿菌在如下滅菌后的固體培養基中培養2天：蛋白胨1g，牛肉膏0.3g，NaCl 0.5g，瓊脂1.5g，100mL 蒸餾水。之后再將菌挑到液體培養基中培養2天，最后將碳氈放置其中繼續培養2天后可用于MFC的啟動實驗。

1.3 MFC系統構建

本實驗采用雙室型MFC反應裝置。外接電阻為100Ω。陽極液是用微生物馴化液配置的一定濃度的羧甲基纖維素鈉溶液，陰極液是25mmol/L的鐵氰化鉀溶液，以枯草芽孢桿菌為產電菌，實驗溫度均為室溫，陽極保持厭氧狀態。

1.4 MFC的數據測量與計算

實驗過程中用多通道數據采集卡記錄MFC的電壓值。每60s測定一次。外接電阻R通過可調節電阻箱(ZX75)測量。由大到小(9000～200Ω)不斷改變陰極和陽極之間的外阻，并記錄隨電阻變化的電壓值，每組數值的穩定時間在20min左右。

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。內阻的計算公式是：PMax=E2/4r(P為功率，E為電勢，r為電池內阻)。循環伏安(CV)曲線通過電化學工作站測量。本實驗采用三電極體系。參比電極是Ag/AgCl電極[3]。循環伏安掃描掃描速率是10mV/s，范圍是-1.1～0.5V。

2 結果與討論

2.1 不同濃度的陽極液的MFC產電量

如圖1可知，當羧甲基纖維素鈉的濃度為0.5g/L時，產電量最大，可達147mV。當陽極液濃度過高時，陽極室中微生物有限，超出了其能降解的有機物范圍，多余部分不能被利用。而當底物濃度過小時，由于碳源的不足，導致微生物無法利用更多有機物進行產電。在何凡[4]等人的研究中發現，底物濃度對產電量有一定的影響，同時對微生物降解底物的速率也有一定的限制。

圖1 CMC-Na陽極液的MFC電壓輸出

2.2 MFC功率密度及內阻分析

由圖2可知，不同濃度的CMC-Na的功率密度有明顯的差異。當羧甲基纖維素鈉濃度為0.5g/L時，產電性能最好，功率密度最大為0.106W/m2。當羧甲基纖維素鈉濃度為0.01%時，最大產電功率較小，為0.035W/m2。

圖2 CMC-Na陽極液的MFC功率密度曲線

由圖3通過擬合極化曲線可知，當羧甲基纖維素鈉濃度分別為10g/L、2.5g/L、1g/L、0.5g/L、0.1g/L時對應的內阻分別為1.042Ω、0.4271Ω、0.8985Ω、0.3312Ω、0.5942Ω。同時通過觀察圖2 也可發現，當濃度為0.5g/L時產電量最高，內阻最小。由此可知，MFC的產電效果與內阻大小有關。Xu等研究亦表明減小內阻會提高產電性能[5]，因此，后續研究中會尋找此體系中減小MFC內阻的方法。

圖3 CMC-Na陽極液的MFC極化曲線

2.3 循環伏安曲線分析

如圖4在CV曲線中出現氧化還原峰，是微生物在陽極表面發生了對底物的代謝反應，產物在陰極還原所致[6]。濃度為0.5g/L的CMC-Na產電量最大，其CV曲線峰面積最大，氧化還原峰的明顯出現表明，其電極上存在電化學活性物質促進了氧化還原反應的發生，生物膜具有更高的電化學活性，枯草芽孢桿菌的電活性更強，MFC的電子轉移速率更高。

圖4 CMC-Na陽極液的循環伏安曲線

3 結論

(1)羧甲基纖維素鈉濃度為0.5g/L時，產電量最大，可達147mv，最大功率密度為0.106W/m2，內阻最小，為0.3312Ω。

(2)當陽極液濃度過高時，由于微生物有限，超出了其能降解的有機物范圍，多余底物不能被利用。而當底物濃度過小時，由于碳源的不足，導致微生物無法利用更多有機物進行產電。