电池性能制约因素
目前,主要以输出功率作为衡量微生物燃料电池性能优劣的重要标准。输出功率的大小主要取决于电子在微生物和电极之间的转移效率、电极表面积、电解液(阳极液和阴极液以及ＰＥＭ)的电阻和阴极区的反应动力学等因素。这可归为3类[28]:(1)动力学因素,阳极和阴极反应活化能的因素;(2)内阻的因素,主要来自电解液的离子阻力,电极与接触物质产生的电阻,以及ＰＥＭ所产生的内电阻;(3)传递因素,反应物到微生物活性位的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散。1 动力学因素
微生物燃料电池来自动力学制约的主要表现是活化电势较高,致使在阳极或者阴极上的表面反应速率较低,难以获得较高的输出功率。因此,这是研究的关注点之一。
在电池阳极区,解决动力学制约的途径包括:
其一,尽管选择的菌种在相当程度上影响微生物的富集速度,但并不能最后决定电池的最终输出功率,而起决定性作用的是选择产电效率高的菌种。例如文献[30]指出,选择厌氧好氧混合污泥作为菌种来源,葡萄糖为燃料的电池,经3个月的微生物培养和驯化后,电能转化率达到了初期的8倍。
其二,利用某些菌种可将其它菌种的生成物质作为介体物质的特点,通过选择适合的不同菌种进行复合培养,使之在电池中建立这种所谓的共生互利作用,也可获得较高的输出功率,其电流密度是单菌培养的6倍[8]。这方面成功的例子还有,Ｒａｂａｅｙ等[30]对具有电子转移到电极上能力的Ｇｅｏｂａｃｔｅｒａｃｅａｅ、Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｃｅａｅ、Ａｌｔｅｒｏｍｏｎａｄａｃｅａｅ、Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒｉａｃｅａｅ、Ｐａｓｔｅｕｒｅｌｌａｃｅａｅ、Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉａｃｅａｅ、Ａｅｒｏｍｏｎａｄａｃｅａｅ和Ｃｏｍａｍｏｎａｄａｃｅａｅ等菌属所构成的菌群进行复合培养,也取得了较好的效果。
其三,对于那些能通过膜直接将电子传递给阳极的菌种[31],可以采用较大表面积阳极。这样伴随着微生物的生长,会在阳极表面生成更大面积的生物膜,电能转化率也会随之快速提高。还有研究[32]表明,在ＰＥＭ面积30 6ｃｍ2时,阳极面积增大4倍,功率密度会增大3倍。Ｌｏｇａｎ[1]还将生物膜从工作的电极移植到的新电极上,也能显著提高新电极微生物的生物活性,提高输出功率。
在电池阴极区,电子最终受体在电极上的还原速率也是决定电池输出功率的重要因素。文献[29,33]涉及的研究表明,采用镀铂或者经铂修饰后的石墨电极具有较高的催化活性,能明显降低活化电势。另外,还有研究表明不锈钢电极负载海水生物膜[34],利用改性Ｎａｆｉｏｎ膜在电极上固定胆红素氧化酶和介体[35],均能够促进阴极反应。
2 内阻因素
Ｍｅｎｃｈ[36]指出,内电阻的微降会显著地提高输出功率,这说明内电阻在提高电池的输出功率方面具有重要作用。电阻主要表现为具有较高的欧姆超电势。欧姆超电势[28,29]来源于电子流和质子流的直接传质阻力,该阻力主要是由于电极与接触物质间存在着接触电阻,电解液与ＰＥＭ膜对质子构成的阻力。因此,对电极和膜合理设计,或者选用性能更好的交换膜是减少传质阻力的有效方法[33]。
(1)ＰＥＭ对内阻的影响。Ｌｏｇａｎ等[32]在电极和ＰＥＭ性质相同的情况下,实验测定了ＰＥＭ表面积变化对内电阻大小的影响。结果表明在实验条件下,若ＰＥＭ面积小于电极面积,会增加电池的内阻,从而限制电池的输出功率;如果ＰＥＭ表面积足够大,ＰＥＭ对功率的影响可以忽略不计,即ＰＥＭ对内阻的影响接近为零。Ｌｉｕ等[37]设计了无ＰＥＭ的空气阴极系统,以葡萄糖和污水作为燃料,由于加强了质子在阳极和阴极之间的流通性,使电池所得产生的最大输出功率分别增大了1 9和5 2倍。从其实验结果可以看出,ＰＥＭ对输出功率的影响与电极表面积对功率的影响比较,ＰＥＭ面积大小也是影响微生物燃料电池最大输出功率的重要因素之一。Ｌｉｕ等[4]设计的膜固定于阴极的微生物燃料电池,在连续处理污水的过程中得到了26ｍＷ ｍ2的输出功率;而他们设计的无ＰＥＭ系统,内电阻被降低后,也得到了146ｍＷ ｍ2的最大输出功率。
(2)ＰＥＭ和电极的空间距离对内阻的影响。阳极和阴极越接近越对内阻降低有利[29]。Ｍｉｎ等[38]研制了一种平板系统,将阳极和阴极分别固定在ＰＥＭ的两侧,在处理连续流污水的过程中,能获得76ｍＷ ｍ2的输出功率。虽没有达到无ＰＥＭ电池的输出功率,但证明电极的空间位置和有无ＰＥＭ都是影响输出功率的重要因素。
(3)电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响。Ｚｈｅｎ[3]设计了上流式微生物燃料电池(ＵＭＦＣ),使用了与Ｒａｂａｅｙ[30]相同的ＰＥＭ和电极材料,但其电池的内电阻却是后者的27倍。ＵＭＦＣ内阻主要是因为两个电极间距离较远,使质子在电解液中传递时遇到的阻力变大。另外,阴极表面积[40]和电极溶液的离子强度也是影响电池内阻的重要因素。Ｌｏｇａｎ等[32]通过向培养基中添加ＫＣｌ,来增加培养基的离子强度以增强溶液的导电性,从而提高输出的功率。
3 传递因素
反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因素。虽然氧作为阴极反应的电子受体时,具有易于获得、反应的最终产物为水和不存在后处理的优势,但其最大的问题就是在水中的溶解度较低,传质速率较小,影响着阴极反应速率。所以研究中[3,40]通常采用铁氰酸盐来作为最终电子受体,以获得更大的输出功率和电流。一般认为这是由于铁氰酸盐相对于氧来说具有更大的传质效率。Ｒａｂａｅｙ等[30]利用铁氰化物作为阴极介体获得了3 6Ｗ ｍ2的输出功率。另外,设计空气阴极微生物燃料电池是解决传递问题的有效途径,也是今后的重要发展方向。Ｌｉｕ等[4,37]先后设计了单室置于空气中的阴极系统和无ＰＥＭ的空气阴极系统,并在后一系统中以葡萄糖和污水作燃料,得到了146ｍＷ ｍ2的最大输出功率。
另外,反应器搅拌情况、微生物的最大生长率、微生物对底物的亲和力、生物量负荷、操作温度和酸碱度均对微生物燃料电池内的物质传递有影响[30]。
页:
[1]