关键词：
微生物燃料电池
阳极修饰
生物炭
偶氮染料降解
氯霉素降解
摘要：
微生物燃料电池（Microbial fuel cells,MFCs）是一种从20世纪90年代早期开始发展起来的新兴技术,能够将化学能转化为电能。然而,由于MFCs的输出功率通常比较低,因此,进一步发展和大规模应用受到了限制。阳极作为MFCs中微生物生长的载体,它的稳定性、生物相容性、电导率和活性表面积直接影响着微生物胞外电子转移的能力和MFCs的性能。碳材料阳极具有良好生物相容性、价格低廉,在富集电微生物及输出电压方面有着极大的优势。本研究从阳极的材料和粘合剂对生物相容性和MFCs性能的影响进行分析。使用三种不同类型的碳材料对MFCs的阳极进行修饰,通过电化学方法,检测分析产电性能,为后续碳材料的阳极修饰提供理论基础。（1）相比于无机材料,有机材料通常认为对微生物是有毒性的,因此在本研究中我们尝试选用了储能有机材料POP-rGO修饰的阳极构建了空气阴极MFCs,检测其对微生物的影响以及MFCs的性能。通过使用聚偏氟乙烯（Polyvinylidene fluoride,PVDF）作为粘合剂,将POP-rGO粉末修饰在碳纸（2cm）上。得到了最大电流密度约为162.5 m A m,与未改性阳极(40.5 m A m)相比,该电流密度提高了301%。最大功率密度分别为48.84 m W m和4.16 m W m,其最大功率密度比未修饰阳极增加了近1070%。进一步的细胞外电子传递动力学分析表明,经POP-rGO修饰后,电子数n和电荷转移系数α分别增加了74%和65%。用于甲基橙（Methyl orange,MO）的降解,MO在POP-rGO材料改性的阳极MFCs中的降解效率达到69.5%,与未改性的电极MFCs相比,MO的降解效率提高了26.4%。动力学分析结果表示当POP-rGO材料改性阳极时,一级动力学常数达到0.309 h,与未经修饰的CP阳极(0.0043 h)相比,一级动力学常数提高219%。对照阳极MFCs及POP-rGO修饰阳极MFCs中的最终生物量浓度分别为0.114±0.001 mg/ml和0.116±0.001 mg/ml,阳极液生物量无显著差异,表明POP-rGO修饰不影响阳极液的pH值和微生物的生长。因此,POP-rGO是可作为MFCs处理偶氮染料废水的有效选择的。（2）为了让微生物更好的适应MFCs地生长条件,在粘合剂方面,我们尝试生物来源的海藻酸钠（Sodium alginate,SA）作为粘合剂的可行性,将超级活性炭（Super activated carbon,SAC）粘合在MFCs的碳布阳极（2cm）。结果表明,SAC/SA/碳布阳极MFCs的最大输出电压为0.028 V,比空白碳布阳极（对照）高180%。MFCs的内阻为9429.3Ω,比对照组（11560Ω）低18%。最大功率密度为6.24 m W/m,比对照组高365%。经SAC/SA水凝胶改性后,化学需氧量（Chemical oxygen demand,COD）去除效率达到56.36%,相比对照组提高了12.72%。改性阳极MFCs的库仑效率（Coulombic efficiency,CE）达到17.65%,比对照组高9%。结果表明,以生物相容性SA作为粘合剂进行阳极改性增强了MFCs产电性能。我们的工作为阳极改性中生物来源的粘合剂提供了一种新的选择。（3）在改性材料方面,我们也尝试生物来源的生物炭作为阳极。利用海带、铜藻、绿藻三种藻类通过高温热解法制备生物炭,对生物炭的性能进行物理化学分析,X-射线衍射图谱（X-ray diffraction,XRD）和傅里叶红外光谱（Fourier Transform infrared spectroscopy,FT-IR）结果表明所制备生物炭表面具有芳香族官能团及优异的石墨碳性能,促进胞外电子传递,增加了材料导电性。碳材料的电导率也是石墨化程度的函数。在较高的温度下,随着碳接近sp杂化,电子迁移率提高,电导率提高。将三种生物炭修饰到MFCs阳极后,测量阳极室厌氧微生物电化学活性、并用于抗生素氯霉素的降解,绿藻、铜藻、海带生物炭改性阳极的最大输出电压分别为0.386V、0.368V、0.29V,都远高于对照阳极MFCs（0.196V）。最大功率密度分别为362.9m W m、278.9 m W m、262.4m W m,均大于碳布阳极最大功率密度82m W/m,使双室MFCs功率密度分别提升了342%、240%、220%。海带、铜藻、绿藻三种生物炭阳极电池内阻分别为1623Ω、1410Ω和586Ω,相较于碳布阳极电池内阻分别降低了76.6%、79.6%、91.5%,明显降低电池的内损耗,增大了MFCs的单位输出功率,提升了MFCs产电能力。
