本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化非緩沖微生物燃料電池(blmfc)產(chǎn)電性能的方法，屬于環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微生物燃料電池(mfc)在降解有機(jī)物的同時(shí)回收電能，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ奈鬯幚砑夹g(shù)。因此，mfc體系的相關(guān)研究自然成為了一直以來環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，實(shí)驗(yàn)室小型mfc系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)度和ph值，保障體系高效且穩(wěn)定的運(yùn)行。然而，未來mfc在污水處理領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用將需要在無緩沖條件下進(jìn)行，因?yàn)樘砑泳彌_鹽會(huì)顯著增大運(yùn)行成本，且可能造成出水富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問題。非緩沖mfc(buffer-lessmfc，blmfc)體系中，陽(yáng)極表面不斷產(chǎn)生并積累質(zhì)子(h+)，出現(xiàn)陽(yáng)極液酸化現(xiàn)象，嚴(yán)重限制產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)和活性。因此，欲進(jìn)一步提高blmfc體系產(chǎn)電能力，使其更具實(shí)用價(jià)值，解決陽(yáng)極液酸化問題是關(guān)鍵。
近年來，研究者們針對(duì)陽(yáng)極液酸化現(xiàn)象初步嘗試了一些應(yīng)對(duì)之策。例如，在雙室mfc中以nh4+為“質(zhì)子中介體”。nh4+在陰極表面經(jīng)過生物產(chǎn)氫過程失去h+形成游離nh3，且當(dāng)陰極液ph值>9.25時(shí)，以nh3氣逸出，隨后在外部氨循環(huán)裝置中與酸性陽(yáng)極液接觸重新結(jié)合h+，形成nh4+并進(jìn)入陽(yáng)極液，完成循環(huán)。通過nh4+→nh3→nh4+的循環(huán)將陽(yáng)極液控制在7.0左右。與陽(yáng)極液酸化條件(ph5.5)相比，裝置的電流由10ma增大到110ma，效果顯著。然而，該法的實(shí)施需要體系中存在至少60mm的nh4+，且操作較復(fù)雜，除高氨氮廢水外，不適用于其他廢水的大規(guī)模處理。電解液循環(huán)運(yùn)行模式(loop-mode)是另一種解決空氣陰極mfc體系陽(yáng)極酸化問題的策略。即將陽(yáng)極液出水與陰極液混合，一方面將陽(yáng)極液中積累的h+移出，避免對(duì)陽(yáng)極微生物的生長(zhǎng)和活性產(chǎn)生抑制，另一方面加快了h+向陰極表面的轉(zhuǎn)移，加速陰極表面orr反應(yīng)，改善陰極性能，從而提高mfc的產(chǎn)電能力。然而，陽(yáng)極液循環(huán)過程中很容易將o2帶入陽(yáng)極區(qū)，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(yīng)積累hco3-和h2co3(co2溶解)。hco3-可以與陽(yáng)極液中的h+結(jié)合變?yōu)閔2co3，而h2co3又可以在陰極附近失去質(zhì)子轉(zhuǎn)化為hco3-，因此它們可以充當(dāng)“自生緩沖劑”，參與調(diào)節(jié)陽(yáng)極液的ph值。但是，在單一運(yùn)行周期內(nèi)，hco3-是隨著陽(yáng)極反應(yīng)的發(fā)生逐漸的積累，因此濃度較低，緩沖能力有限。本發(fā)明提出通過將blmfc出水進(jìn)行回用的方式，提高h(yuǎn)co3-在陽(yáng)極液中的積累濃度，從而提高非緩沖陽(yáng)極液的自緩沖能力，徹底消除陽(yáng)極酸化現(xiàn)象，最終顯著提高blmfc體系的產(chǎn)電穩(wěn)定性和功率密度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)化blmfc產(chǎn)電性能的方法。
本發(fā)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(jìn)水混合作為陽(yáng)極液來實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的具體步驟如下：
(1)blmfc的啟動(dòng)：以導(dǎo)電碳材料(碳纖維刷，石墨氈，碳布等)為陽(yáng)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(yáng)極液，采用厭氧污泥進(jìn)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(dòng)成功。
(2)blmfc出水回用：將按照步驟1啟動(dòng)成功的blmfc體系進(jìn)水換為污水，或含有機(jī)底物(乙酸，乙酸鈉，葡萄糖，蔗糖，或淀粉等)的溶液，并將出水體積的1％～100％重新加入到裝置中與進(jìn)水混合作為陽(yáng)極液。blmfc運(yùn)行過程中可以通過監(jiān)測(cè)陽(yáng)極液ph值對(duì)回用體積比進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終達(dá)到blmfc最高的輸出電壓和功率密度。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于提供了一種強(qiáng)化blmfc產(chǎn)電性能的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法操作簡(jiǎn)單，可以徹底消除陽(yáng)極液酸化現(xiàn)象，對(duì)于blmfc體系的產(chǎn)電強(qiáng)化效果顯著，可以使mfc在廢水和固體廢物處理方面更具應(yīng)用價(jià)值。
附圖說明
附圖1為一種強(qiáng)化blmfc產(chǎn)電性能的方法的工藝流程圖。
具體實(shí)施方式：
實(shí)例1：
將石墨氈陽(yáng)極和活性碳空氣陰極置于28ml的mfc反應(yīng)器中，以污水處理廠厭氧池污泥為接種物，加入含有1g/l乙酸鈉的pbs緩沖液(50mm)，外接500ω外阻，室溫下接種，待mfc體系的產(chǎn)電大于100mv即為反應(yīng)器啟動(dòng)成功。將污泥吸出，加入含有1g/l乙酸鈉的nacl溶液(50mm)作為陽(yáng)極液，外接500ω外阻，室溫下靜置接種。以30％的體積比對(duì)陽(yáng)極液進(jìn)行回用，即在每個(gè)產(chǎn)電周期結(jié)束時(shí)將30％體積的陽(yáng)極液取出重新加入到mfc反應(yīng)器，隨后加入高濃度乙酸鈉溶液并用nacl溶液(50mm)將mfc反應(yīng)器裝滿，接通外電路進(jìn)行產(chǎn)電。回用5個(gè)周期后，陽(yáng)極液的ph值在8.0上下波動(dòng)，hco3-的濃度為30mm，blmfc體系的輸出電壓(u)為350mv，最大功率密度(pmax)為426.9mw·m-2。
實(shí)例2：
將石墨氈陽(yáng)極和活性碳空氣陰極置于1l的mfc反應(yīng)器中，以污水處理廠厭氧池污泥為接種物，加入含有1g/l乙酸鈉的pbs緩沖液(50mm)，外接500ω外阻，室溫下接種，待mfc體系的產(chǎn)電大于100mv即為反應(yīng)器啟動(dòng)成功。將污泥吸出，以蠕動(dòng)泵泵入含有1g/l葡萄糖的nacl溶液(50mm)作為陽(yáng)極液，外接500ω外阻，室溫下連續(xù)運(yùn)行。以蠕動(dòng)泵將出水直接泵入反應(yīng)器使得反應(yīng)器中回用陽(yáng)極液體積占反應(yīng)器總體積的50％，接通外電路進(jìn)行產(chǎn)電。運(yùn)行6天后，陽(yáng)極液的ph值在7.6上下波動(dòng)，hco3-的濃度為23mm，blmfc體系的u為300mv，pmax為385.6mw·m-2。
實(shí)例3：
將碳纖維刷陽(yáng)極和pt/c修飾碳布空氣陰極置于5l的mfc反應(yīng)器中，以污水處理廠厭氧池污泥為接種物，加入含有1g/l乙酸鈉的磷酸鹽緩沖液(50mm)，外接500ω外阻，室溫下接種，待mfc體系的產(chǎn)電大于100mv即為反應(yīng)器啟動(dòng)成功。將污泥吸出，以蠕動(dòng)泵泵入生活污水(cod為400mg·l-1)作為陽(yáng)極液，外接500ω外阻，室溫下連續(xù)運(yùn)行。以蠕動(dòng)泵將出水直接泵入反應(yīng)器使得反應(yīng)器中回用陽(yáng)極液體積占反應(yīng)器總體積的40％，接通外電路進(jìn)行產(chǎn)電。運(yùn)行8天后，陽(yáng)極液的ph值在8.3上下波動(dòng)，hco3-的濃度為35mm，blmfc體系的u為450mv，pmax為532.2mw·m-2。