[發明專利]一種強化非緩沖微生物燃料電池(BLMFC)產電性能的方法

在審

• 申請號: 201710468072.2
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107195940A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 任月萍
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: H01M8/16
• 分類號: H01M8/16;C02F1/46
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種強化非緩沖微生物燃料電池(BLMFC)產電性能的方法，屬于環境生物技術領域。

背景技術

微生物燃料電池(MFC)在降解有機物的同時回收電能，是一種極具發展潛力的污水處理技術。因此，MFC體系的相關研究自然成為了一直以來環境領域的研究熱點。目前，實驗室小型MFC系統運行過程中，一般需要加入PBS緩沖液或NaHCO₃溶液，用以維持一定的離子強度和pH值，保障體系高效且穩定的運行。然而，未來MFC在污水處理領域的大規模應用將需要在無緩沖條件下進行，因為添加緩沖鹽會顯著增大運行成本，且可能造成出水富營養化等環境問題。非緩沖MFC(Buffer-less MFC，BLMFC)體系中，陽極表面不斷產生并積累質子(H⁺)，出現陽極液酸化現象，嚴重限制產電微生物的生長和活性。因此，欲進一步提高 BLMFC體系產電能力，使其更具實用價值，解決陽極液酸化問題是關鍵。

近年來，研究者們針對陽極液酸化現象初步嘗試了一些應對之策。例如，在雙室MFC中以NH₄⁺為“質子中介體”。NH₄⁺在陰極表面經過生物產氫過程失去H⁺形成游離NH₃，且當陰極液pH值>9.25時，以NH₃氣逸出，隨后在外部氨循環裝置中與酸性陽極液接觸重新結合 H⁺，形成NH₄⁺并進入陽極液，完成循環。通過NH₄⁺→NH₃→NH₄⁺的循環將陽極液控制在7.0 左右。與陽極液酸化條件(pH 5.5)相比，裝置的電流由10mA增大到110mA，效果顯著。然而，該法的實施需要體系中存在至少60mM的NH₄⁺，且操作較復雜，除高氨氮廢水外，不適用于其他廢水的大規模處理。電解液循環運行模式(Loop-mode)是另一種解決空氣陰極MFC 體系陽極酸化問題的策略。即將陽極液出水與陰極液混合，一方面將陽極液中積累的H⁺移出，避免對陽極微生物的生長和活性產生抑制，另一方面加快了H⁺向陰極表面的轉移，加速陰極表面ORR反應，改善陰極性能，從而提高MFC的產電能力。然而，陽極液循環過程中很容易將O₂帶入陽極區，使得體系的功率密度提高不明顯。

空氣陰極MFC體系的總電池反應積累HCO₃^-和H₂CO₃(CO₂溶解)。HCO₃^-可以與陽極液中的H⁺結合變為H₂CO₃，而H₂CO₃又可以在陰極附近失去質子轉化為HCO₃^-，因此它們可以充當“自生緩沖劑”，參與調節陽極液的pH值。但是，在單一運行周期內，HCO₃^-是隨著陽極反應的發生逐漸的積累，因此濃度較低，緩沖能力有限。本發明提出通過將BLMFC出水進行回用的方式，提高HCO₃^-在陽極液中的積累濃度，從而提高非緩沖陽極液的自緩沖能力，徹底消除陽極酸化現象，最終顯著提高BLMFC體系的產電穩定性和功率密度。

發明內容

本發明的目的在于提供一種強化BLMFC產電性能的方法。

本發明的目的可通過將一定比例的BLMFC出水重新加入到BLMFC裝置中與進水混合作為陽極液來實現。

本發明的具體步驟如下：

(1)BLMFC的啟動：以導電碳材料(碳纖維刷，石墨氈，碳布等)為陽極，以空氣陰極(活性碳空氣陰極或Pt/C修飾陰極)為陰極。以含有1g/L乙酸鈉的磷酸鹽緩沖液(PBS,50mM)為陽極液，采用厭氧污泥進行接種，外接電阻(500Ω或1000Ω)直到體系輸出電壓高于100mV 即為啟動成功。