以葡萄糖为原料的微生物燃料电池产电特性研究

摘要

随着未来世界能源的持续紧缺和环境危机的日益严重，开发对环境不构成污染的新型可再生能源来替代石油、煤等现今主要燃料显得越来越重要。微生物燃料电池(MFC)作为新型可再生能源中的一种，能在微生物的催化下，直接以各种碳水化合物、复杂有机物为底物产电，能量转化效率高；可在偏远、低温环境下有效运行，环境适应性强；产电过程绿色环保，至多只产生CO2，且CO2的释放量低于其他能源形式的平均水平；原料来源广泛。由于MFC的特殊优势，使其在替代能源、废水处理等方面具有巨大应用前景，遂成为当今一大研究热点。但在越来越多的学者参与到该研究领域的同时，MFC本身发展也面临着瓶颈，其瓶颈主要表现在两个方面：大部分MFC输出功率仍然较低且不稳定；大部分系统需要添加电子传递中间体才能提高产电能力，但是电子传递中间体价格昂贵且有毒，不适应发展需求。为解决上述问题，本文优化了MFC运行系统，对产电菌种进行了筛选，对产电电极进行了选择优化，驯化了产电微生物以提高其输出电流、电压、功率，还分别以酒精酵母与海洋酵母为产电微生物构建了直接MFC系统，解决了电子传递中间体的污染问题。主要研究结果如下：
　　 1.运行系统的构建与优化。本论文自行设计的双腔MFC装置系统阴极、阳极均为未抛光高纯石墨电极，该系统以酒精酵母(2.39)为产电微生物，以电池开路电压值为依据，对质子交换膜面积、葡萄糖浓度，酒精酵母接种量、阴极电解液浓度、电子传递中间体浓度等进行了优化。结果确定了以下运行系统：质子交换膜规格为5 cm×5 cm的，阳极室中最佳底物添加量为20 ml浓度为0.1 g/ml的葡萄糖溶液，菌种接种量为20 ml浓度为6×1011cells/ml的菌悬液，电子传递中间体的添加量为0.5 ml浓度为1％的亚甲基蓝溶液，缓冲液添加量为3 ml浓度0.05g/ml的NaH2PO4溶液；阴极室中电解液的添加量为2 ml0.05 g/ml的K3Fe(CN)6溶液。在此优化条件下，得到最大开路电压为(0.534±0.028)V。
　　 2.菌种筛选与电极选择。在系统优化后条件下，以高纯石墨电极为阴极，阳极电极分别以石墨、铝、铜、铁片及铁圈为装置进行开路电压最大值对比。分别以酒精酵母2.39，AS2(434)，Y10，Y11(45)，Y20，Y17，2.67等菌株进行运行，结果显示，石墨阳极相对电化学活性最低，电极优劣依次可以排列为石墨电极<铜电极<铝电极<铁片电极<铁圈电极。2.39的最大开路电压为铁圈阳极时，达1.241±0.025 V：AS2(434)的最大开路电压为铁圈阳极时，达0.985±0.014 v；Y10的最大开路电压为铁圈阳极时，达1.103±0.011 V；Y11(45)；Y11(45)的最大开路电压为铁圈阳极时，达1.138±0.016 V；Y20的最大开路电压为铁圈阳极时，达1.297±0.031 V；Y17的最大开路电压值为铁片阳极时，达1.151±0.029 V。在铁圈条件下，2.39与Y20达到了所有菌种中的开路电压最大值；Y10在运行过程中最快到达了开路电压峰值，稳定性强，故选择菌种2.39，Y20和Y10进行后续驯化。
　　 3.菌种驯化。菌种驯化过程为系统运行后重新收集、分离、扩大培养菌种，同样条件下再次运行产电。驯化采用通路实验，以石墨为阴极，铁圈为阳极，在优化后系统条件下，串联电阻，得到输出电压、电流及功率。结果显示驯化后不同菌株的产电能力均得到了很大提升，具体结果如下：
　　 驯化后菌株2.39的输出电压峰值为0.392 V，输出电流峰值达到了1.1 mA，输出功率峰值有所提前，达0.431 mW，提高了其产电能力、稳定性及对环境的适应性。菌株Y20驯化后的输出电压峰值提高至0.924 V；输出电流峰值从原来的0.512 mA提高至0.548 mA；输出功率峰值有所提升(达0.506 mW)。但产电速度出现滞后现象，驯化过程提升TY20的产电能力，但产电稳定性差异不显著。菌株Y10驯化后的输出电压峰值一跃从0.348 V上升至0.557 V；输出电流峰值也从开始的0.98 mA大幅提升至1.568 mA；驯化前最大功率值为0.341 mW，驯化后最大值为0.873mW，提升率达156％。任何时候驯化后Y10的功率均大幅度高于驯化前。对菌种Y10的驯化，使其产电能力得到质的飞跃，且产电稳定性也有了很大提高。
　　 4.直接MFC构建。以多次驯化的酒精酵母Y10和海洋酵母Rhodosporidium paludigenum Fell&Tallman为产电微生物，以石墨为阴极，铁圈为阳极，系统条件不变的情况下，串联变阻器，不添加电子传递中间体，构建直接MFC，产电结果显示，多次驯化的Y10 MFC的最大输出电压为0.889 V，最大输出电流为2.2 mA，最大输出功率达1.99 mW。海洋酵母Rhodosporidium paludigenumFell&Tallman MFC的最大输出电压为0.937 V，输出电流的最大值为1.4 mA，输出功率的最大值高达0.459 mW。
　　 综上所述，本文以葡萄糖为底物，较为全面地从系统优化、菌种筛选、电极选择、菌种驯化等方面大大提高了MFC的产电能力，一定程度上解决了MFC输出功率较低的问题；且以Y10及海洋酵母成功构建了直接MFC，且有较为可观的输出电压、电流、功率，满足今后开发偏远地区小型电源与小型海底仪器的客观要求，克服了添加电子传递中间体的问题。