通過比較相同COD 濃度下3種不同陽極底物：象草秸稈水解液、葡萄糖模擬廢水、葡萄糖與象草秸稈水解產(chǎn)物共基質溶液，研究不同陽極底物對MFC 的產(chǎn)電電壓、產(chǎn)電時間、功率密度、內阻、庫倫效率及底物的COD 去除率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖和象草秸稈水解產(chǎn)物共基質溶液作為MFC 陽極底物時可獲得較高電壓，且穩(wěn)定產(chǎn)電的時間較長；獲得的最大功率密度為380. 63mW/m2；具有最小的內阻155. 97Ω；庫倫效率為22. 64%；底物的COD去除率為83. 2%，可作為MFC陽極底物。

 

 

 

在微生物燃料電池（microbial fuel cells，MFC）中，陽極底物基質是影響微生物燃料電池產(chǎn)電性能的重要因素。目前研究重點是將微生物燃料電池與廢水處理有機結合，將微生物代謝有機廢水的生物能轉化為電能。用于MFC 的有機廢水包括生活污水、釀制廢水、屠宰廢水、養(yǎng)豬廢水、黃姜廢水、制藥廢水、食品廢水等，不同廢水水質差異較大，對MFC 產(chǎn)電性能和降解污染物效率影響較大。陽極底物直接影響MFC電極生物膜上的微生物，進而影響MFC的產(chǎn)能效率，底物的特性和其中能夠轉換為能源的物質的含量對MFC的發(fā)展尤為重要。

 

象草秸稈水解后水解液中含有豐富的還原糖，能夠被產(chǎn)電微生物所利用。為了了解象草秸稈水解液在MFC 中的產(chǎn)電性能，配制相同COD 濃度的葡萄糖模擬廢水和葡萄糖與象草秸稈水解產(chǎn)物共基質溶液，通過使用3種不同陽極底物，研究象草秸稈水解液的產(chǎn)電可行性，并將其產(chǎn)電特性與葡萄糖作對比分析，考察不同陽極底物對MFC的產(chǎn)電電壓、內阻、輸出功率、庫倫效率以及COD去除率的影響。

 

1 象草秸稈水解液的制備

 

象草屬于多年生的草本植物，根系比較發(fā)達，根須能夠強大伸展到土層中的40 cm左右，甚至到達4 m 左右，植株也很高大，約為2～4 m，最高的植株可以達到5 m。多生長于溫暖濕潤氣候，適應性很強，作為一種高能源密度物質，是一種很好的牧草飼用植物，可用于養(yǎng)殖牧草和飼料加工。現(xiàn)在，象草已作為一種能源物質，用于造紙、食用菌栽培、燃料發(fā)電、提取蛋白質等。

 

象草秸稈用硫酸水解，將象草秸稈粉碎，篩選出粒徑為20～40 目的顆粒［1］，置于干燥器中備用。按照固液質量比（1∶9）加入到50%的濃硫酸溶液中，50 ℃恒溫水浴條件下水解60 min，然后稀釋水解液并用NaOH 中和，抽濾去除殘渣，得到象草秸稈水解液。測得水解液中葡萄糖的含量為4. 6 g/L。HERRERA 等［2］研究了纖維素的稀鹽酸水解工藝，酸濃度為2%～6%，反應溫度為100℃，當鹽酸濃度為2%、4%和6%，反應時間為5、5、3 h 時，木糖的最大得率分別為17. 3、19. 9 和19. 7g/L。木糖得率最大時，葡萄糖得率分別為3. 8、5. 1和5. 3 g/L。本實驗所得的葡萄糖含量與其基本一致。

 

2 不同陽極底物MFC 的啟動

 

以厭氧污泥為產(chǎn)電菌來源，用COD 濃度為1 000 mg/L 的葡萄糖模擬廢水將其在回旋式氣浴恒溫振蕩器中培養(yǎng)7 d，恢復污泥活性并富集菌種。待馴化完成后，在陽極室均加入100 mL 污泥［3］。由于象草水解液中還原糖含量較高，將其COD 濃度稀釋到1 000 mg/L，同時配置COD 濃度為1 000 mg/L 葡萄糖模擬廢水。以高錳酸鉀為陰極電子受體，陽極依次加入葡萄糖模擬廢水、葡萄糖和象草秸稈水解產(chǎn)物共基質溶液以及純象草秸稈水解液。陰極室加入1L 濃度為50 mmol/L 的KMnO4 溶液作為電子受體。為維持MFC 中穩(wěn)定的pH，減小內阻，所有進水中均添加50 mmol/L 的緩沖溶液和相應的微量金屬離子溶液。整個產(chǎn)電過程中陽極室保持厭氧，外接電阻保持1 000 Ω［3］，用數(shù)字萬用表記錄不同陽極底物的產(chǎn)電情況，以此來分析不同底物對MFC 產(chǎn)電性能的影響。當產(chǎn)電電壓低于50 mV 時，產(chǎn)電周期結束。

 

3 不同陽極底物MFC 的產(chǎn)電電壓比較

 

圖1為不同陽極底物對應的電壓輸出情況。

 

 

如圖1 所示，3 種不同陽極底物均有較高的起始電壓，約為900 mV，2 d 后，產(chǎn)電趨于穩(wěn)定，12 d 后，產(chǎn)電開始下降。這可能是由于剛加入燃料時，有機物充足，微生物降解速率快，電壓迅速上升至最大值，達到最大值后輸出電壓逐步穩(wěn)定，隨著有機物的消耗，電壓慢慢下降。其中，葡萄糖模擬廢水能在最短時間獲得最高電壓，在實驗第5 天獲得其最高電壓為1 065 mV。到12 d 時，產(chǎn)電電壓開始出現(xiàn)下降，第20天左右時，產(chǎn)電電壓低于50 mV，產(chǎn)電結束，穩(wěn)定產(chǎn)電的時間約為10 d左右，整個產(chǎn)電周期約為20 d；葡萄糖和象草秸稈水解產(chǎn)物共基質溶液在產(chǎn)電的第7 d 獲得最高電壓，其值為1 035 mV，到第17天電壓開始下降，到第24天產(chǎn)電結束，穩(wěn)定產(chǎn)電的時間約為15 d，整個周期持續(xù)24 d左右；秸稈水解液在第6 天獲得其最高電壓，為956 mV，相比較葡萄糖模擬廢水和兩者的混合液，其最高電壓較低。秸稈水解液在獲得其最高電壓后，電壓下降幅度較小。21 d時電壓出現(xiàn)大幅下降，到第30天左右時產(chǎn)電結束，整個產(chǎn)電時間維持約30 d左右。

 

通過比較3 種不同底物的產(chǎn)電趨勢，可以發(fā)現(xiàn)：當?shù)孜餅槠咸烟悄M廢水時，產(chǎn)電時間偏短，穩(wěn)定時間不長；葡萄糖與水解液的混合液為底物時可獲得較高電壓，且穩(wěn)定產(chǎn)電的時間較長；而以純水解液為底物時，雖然產(chǎn)電時間較長，但獲得的電壓較低，而且穩(wěn)定產(chǎn)電的時間較短。這是由于葡萄糖屬于單糖，易被微生物所分解利用，故能在較快時間獲得最高電壓，但是被利用速度過快，導致產(chǎn)電周期較短。在以兩者混合為底物時，微生物利用葡萄糖的同時可以將木糖等多糖類先降解為單糖，在產(chǎn)電后期可以較好的利用，這樣既能獲得較高電壓又能使穩(wěn)定的產(chǎn)電時間增加。以純水解液為底物時，在產(chǎn)電前期微生物不能獲得足夠營養(yǎng)物質，木糖等糖類被利用緩慢，不利于微生物的生長，獲得電壓較低。由此可見，混合基質對于產(chǎn)電效率有一定的提高。                              

 

4 不同陽極底物MFC 功率密度和極化曲線

 

在3 組裝置產(chǎn)電穩(wěn)定后，斷開外電路，此時電路中沒有電流，因此功率密度為零，獲得的開路電壓分別為1 321、1 246、1 160 mV。依次將外電阻按照阻值從高到低的順序連接到電路中，阻值由3 000 Ω到100 Ω變化，測量不同電阻時的外電路電壓，計算得出電流，根據(jù)公式PA =UI/A 可以得到功率密度［4］，并分析不同基質濃度下的內阻，得到極化曲線（見圖2）。

 

 

如圖2 所示，3 種底物的外電路輸出功率密度隨著電流的增加而增加，當電流達到一定值（約為3. 5 mA）后功率密度開始下降，原因是電池內部極化作用，外接電阻過小時，內阻消耗燃料電池大部分功率，當外接電阻大于內阻并逐漸增加時，電流減小，導致功率密度減少，在外阻等于內阻時可獲得最大的功率密度。本實驗中葡萄糖模擬廢水作為陽極底物時獲得的最大功率密度為357. 01 mW/m2。尤世界等［5］以葡萄糖作底物獲得最大功率密度為192. 104 mW/m2。與其研究相比，本實驗獲得了更高的功率密度，表明實驗裝置產(chǎn)電性能良好。葡萄糖和象草秸稈水解產(chǎn)物共基質溶液為底物時，獲得的最大功率密度為380. 63 mW/m2，而以純水解液作為陽極底物時獲得的最大功率密度為298. 38 mW/m2?？梢姡云咸烟呛拖蟛萁斩捤猱a(chǎn)物共基質溶液為底物時獲得的功率密度最大，葡萄糖模擬廢水次之，純水解液最少。這與底物性質有關，雖然水解液中的多糖等物質不能直接被利用，但是降解后的單糖等小分子物質可以被利用。另外，不同底物的內阻也有一定影響。