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(shí)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(hù)的重要技術(shù)[2]。將二者結(jié)合以此得到環(huán)保和經(jīng)濟(jì)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(shí)，哪種組分的陰極液能盡可能的提高其產(chǎn)電性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 陽極液的配制

在實(shí)驗(yàn)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(jìn)行中和，獲得質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)中為室溫。

1.4 MFC的測量方法

實(shí)驗(yàn)平穩(wěn)運(yùn)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(shí)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(jì)算公式是：P=U2/RA，其中A 為陽極的有效面積。內(nèi)阻的計(jì)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2000m in 左右電池啟動結(jié)束，2000min 至4450m in 之間，陰極液為鐵氰化鉀溶液時(shí)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(shí)，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(qiáng)的電子接受能力，使產(chǎn)電效果更好。以氯化鈉為陰極液時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，，產(chǎn)電量最大，為42mv；陰極液為鐵氰化鉀溶液時(shí)，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。