微波污泥上清液为燃料微生物燃料电池内阻分布.docVIP

微波污泥上清液为燃料的微生物燃料电池内阻分布????刘志华1，2，3李小明1，3，4*方?丽5郑?峣1，3杨?麒1，3????(?1．?湖南大学环境科学与工程学院，长沙?410082;?2．?长沙理工大学化学与生物工程学院，长沙?410114;3．?环境生物与控制教育部重点实验室(?湖南大学)?，长沙?410082;?4．?广西大学环境学院，南宁?530004;5．?长沙环境保护职业技术学院环境工程系，长沙?410082)????摘?要?实验采用单室无膜悬浮阴极微生物燃料电池(?MFC)?，考察了微波污泥上清液为燃料的?MFC(?MSMFC)?的内阻组成。研究表明，当未投加氯化钠时，MSMFC?内阻为?486．?13?Ω。当投加?100?mmol/L?的氯化钠时，内阻迅速下降为207．?18?Ω。而投加量进一步增加时，内阻变化不明显。当阳极面积从?4?cm2增加到?8?cm2时，MSMFC?内阻从?387．?34?Ω?迅速下降到?293．?96?Ω。而当阳极面积增加到?24?cm2时，MSMFC?内阻变化不明显。但当阳极面积增加到?60?cm2时，MSMFC内阻下降了?38．?4%。当阴极面积从?24．?87?cm2增加到?49．?74?cm2时，MSMFC?内阻减少了?40．?4%?(?从?545．?72?Ω?减少到220．?56?Ω)?。MSMFC?中阳极内阻占主要部分，其次为阴极内阻，电解液电阻最小。随着阴阳极面积比的增加，阴阳极电阻比例减少，说明控制阴阳极面积比可以调整系统内阻的分配。????关键词?微生物燃料电池?污泥?内阻?微波????中图分类号?X172???文献标识码?A???文章编号?1673-9108(?2011)?12-2885-05????微生物燃料电池(?microbial?fuel?cell，MFC)?是一种利用附着在阳极电极表面微生物的代谢过程，将蕴含在有机物中的化学能一部分用以支持微生物生长，一部分转化成电能的装置［1-3］。对于有机废水处理来说，无论是对于成分较为单一的生活污水［4］、浓度较高的有机废水(?如淀粉废水［5］、屠宰废水［6］、啤酒废水［7］)?、还是难降解的有机废水(?如造纸废水［8］、垃圾渗滤液［9］)?均在获得电能的同时实现了废水的同步处理。????采用剩余污泥为燃料，通过?MFC?技术实现在污泥厌氧消化处理的同时实现电能回收，将成为一种新颖的剩余污泥处理技术［10，11］。剩余活性污泥主要由悬浮的污泥絮体构成，而絮体是由大量的分散微生物细菌通过胞外聚合物(?EPS)?、阳离子和其他细颗粒架桥而组成［12］。污泥微生物细胞胞壁由肽聚糖、磷壁酸、脂多糖等构成，细胞内原生质体中含蛋白质、多糖、脂类、DNA、核糖核酸(?RNA)?等有机物与无机盐［13］。微波是一种新型的污泥水解方式［14，15］，可使分子间摩擦产生热能，温度升高，从而使细菌细胞在短时间内破裂，释放出胞内物质。乔玮等［16］研究城市污水污泥微波热水解特性时发现，微波加热使污泥水解反应快速发生，SCOD?和?VSS溶解率迅速上升，同时污泥的脱水性能也获得了改善。方丽等［17］研究微波污泥上清液为燃料?MFC(?MSMFC)?产电特性，研究发现，在微波时间为300?s，微波功率为?720?W?时，最大功率密度为?210．07?mW?/?m2，库仑效率为?83．?3%。并对影响因子进行了分析研究［18］。内阻是决定?MFC?功率输出和应用的主要指标。根据内阻极化曲线，其主要是由活化内阻、欧姆内阻和扩散内阻组成。但?MFC?运行过程中其主要是以欧姆内阻为主，且主要包括阳极电阻、阴?极?电?阻、电?解?液?电?阻?和?膜?电?阻?(?如?果?存在)［19］。但目前对?MSMFC?内阻组成仍未有研究。因此，为了分析?MSMFC?内阻组成情况，结合本实验装置的特点(?单室无膜?MFC)?，实验分析氯化钠投加量、阳极面积和阴极面积对系统内阻的影响，并分析了?3?种因素作用下?MSMFC?内阻的分配情况，以期为?MSMFC?实际应用提供参考。????1?材料与方法????1．?1?MFC?实验装置????实验采用单室无膜悬浮阴极?MFC［10，11，17］。反应器为圆柱形玻璃容器(?总容积300?mL，有效容积250mL)?，阳极沉积在容器的底部，采用石墨片(?表面积12?cm2，不含催化剂，特别说明的除外)?。阴极悬浮在容器的顶部，采用石墨棒(?表面积?24．?87?cm2，不含催化剂，特别说明的除外)?，采用泡沫塑料使其悬浮，并使?1/2?的体积沉浸在水中。阴阳极间(?距离?5cm)?采用铜线连接?500?Ω?的外阻。为了保证系统中物质良好的传递，系统采用恒温磁力搅拌器搅拌，投加氯化钠(?100?mmol/