一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法技术

一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法，通过将BLMFC出水进行回用，增加HCO3

A method for enhancing the performance of non buffered microbial fuel cells (BLMFC)

A method of enhancing the electrochemical performance of a non buffered microbial fuel cell (BLMFC) by increasing the HCO3 by reusing the BLMFC effluent

【技术实现步骤摘要】
一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法
本专利技术涉及一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法，属于环境生物

技术介绍
微生物燃料电池(MFC)在降解有机物的同时回收电能，是一种极具发展潜力的污水处理技术。因此，MFC体系的相关研究自然成为了一直以来环境领域的研究热点。目前，实验室小型MFC系统运行过程中，一般需要加入PBS缓冲液或NaHCO3溶液，用以维持一定的离子强度和pH值，保障体系高效且稳定的运行。然而，未来MFC在污水处理领域的大规模应用将需要在无缓冲条件下进行，因为添加缓冲盐会显著增大运行成本，且可能造成出水富营养化等环境问题。非缓冲MFC(Buffer-lessMFC，BLMFC)体系中，阳极表面不断产生并积累质子(H+)，出现阳极液酸化现象，严重限制产电微生物的生长和活性。因此，欲进一步提高BLMFC体系产电能力，使其更具实用价值，解决阳极液酸化问题是关键。近年来，研究者们针对阳极液酸化现象初步尝试了一些应对之策。例如，在双室MFC中以NH4+为“质子中介体”。NH4+在阴极表面经过生物产氢过程失去H+形成游离NH3，且当阴极液pH值>9.25时，以NH3气逸出，随后在外部氨循环装置中与酸性阳极液接触重新结合H+，形成NH4+并进入阳极液，完成循环。通过NH4+→NH3→NH4+的循环将阳极液控制在7.0左右。与阳极液酸化条件(pH5.5)相比，装置的电流由10mA增大到110mA，效果显著。然而，该法的实施需要体系中存在至少60mM的NH4+，且操作较复杂，除高氨氮废水外，不适用于其他废水的大规模处理。电解液循环运行模式(Loop-mode)是另一种解决空气阴极MFC体系阳极酸化问题的策略。即将阳极液出水与阴极液混合，一方面将阳极液中积累的H+移出，避免对阳极微生物的生长和活性产生抑制，另一方面加快了H+向阴极表面的转移，加速阴极表面ORR反应，改善阴极性能，从而提高MFC的产电能力。然而，阳极液循环过程中很容易将O2带入阳极区，使得体系的功率密度提高不明显。空气阴极MFC体系的总电池反应积累HCO3-和H2CO3(CO2溶解)。HCO3-可以与阳极液中的H+结合变为H2CO3，而H2CO3又可以在阴极附近失去质子转化为HCO3-，因此它们可以充当“自生缓冲剂”，参与调节阳极液的pH值。但是，在单一运行周期内，HCO3-是随着阳极反应的发生逐渐的积累，因此浓度较低，缓冲能力有限。本专利技术提出通过将BLMFC出水进行回用的方式，提高HCO3-在阳极液中的积累浓度，从而提高非缓冲阳极液的自缓冲能力，彻底消除阳极酸化现象，最终显著提高BLMFC体系的产电稳定性和功率密度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种强化BLMFC产电性能的方法。本专利技术的目的可通过将一定比例的BLMFC出水重新加入到BLMFC装置中与进水混合作为阳极液来实现。本专利技术的具体步骤如下：(1)BLMFC的启动：以导电碳材料(碳纤维刷，石墨毡，碳布等)为阳极，以空气阴极(活性碳空气阴极或Pt/C修饰阴极)为阴极。以含有1g/L乙酸钠的磷酸盐缓冲液(PBS,50mM)为阳极液，采用厌氧污泥进行接种，外接电阻(500Ω或1000Ω)直到体系输出电压高于100mV即为启动成功。(2)BLMFC出水回用：将按照步骤1启动成功的BLMFC体系进水换为污水，或含有机底物(乙酸，乙酸钠，葡萄糖，蔗糖，或淀粉等)的溶液，并将出水体积的1％～100％重新加入到装置中与进水混合作为阳极液。BLMFC运行过程中可以通过监测阳极液pH值对回用体积比进行调节，最终达到BLMFC最高的输出电压和功率密度。本专利技术的优点：本专利技术的优点在于提供了一种强化BLMFC产电性能的方法，与现有技术相比，该方法操作简单，可以彻底消除阳极液酸化现象，对于BLMFC体系的产电强化效果显著，可以使MFC在废水和固体废物处理方面更具应用价值。附图说明附图1为一种强化BLMFC产电性能的方法的工艺流程图。具体实施方式：实例1：将石墨毡阳极和活性碳空气阴极置于28mL的MFC反应器中，以污水处理厂厌氧池污泥为接种物，加入含有1g/L乙酸钠的PBS缓冲液(50mM)，外接500Ω外阻，室温下接种，待MFC体系的产电大于100mV即为反应器启动成功。将污泥吸出，加入含有1g/L乙酸钠的NaCl溶液(50mM)作为阳极液，外接500Ω外阻，室温下静置接种。以30％的体积比对阳极液进行回用，即在每个产电周期结束时将30％体积的阳极液取出重新加入到MFC反应器，随后加入高浓度乙酸钠溶液并用NaCl溶液(50mM)将MFC反应器装满，接通外电路进行产电。回用5个周期后，阳极液的pH值在8.0上下波动，HCO3-的浓度为30mM，BLMFC体系的输出电压(U)为350mV，最大功率密度(Pmax)为426.9mW·m-2。实例2：将石墨毡阳极和活性碳空气阴极置于1L的MFC反应器中，以污水处理厂厌氧池污泥为接种物，加入含有1g/L乙酸钠的PBS缓冲液(50mM)，外接500Ω外阻，室温下接种，待MFC体系的产电大于100mV即为反应器启动成功。将污泥吸出，以蠕动泵泵入含有1g/L葡萄糖的NaCl溶液(50mM)作为阳极液，外接500Ω外阻，室温下连续运行。以蠕动泵将出水直接泵入反应器使得反应器中回用阳极液体积占反应器总体积的50％，接通外电路进行产电。运行6天后，阳极液的pH值在7.6上下波动，HCO3-的浓度为23mM，BLMFC体系的U为300mV，Pmax为385.6mW·m-2。实例3：将碳纤维刷阳极和Pt/C修饰碳布空气阴极置于5L的MFC反应器中，以污水处理厂厌氧池污泥为接种物，加入含有1g/L乙酸钠的磷酸盐缓冲液(50mM)，外接500Ω外阻，室温下接种，待MFC体系的产电大于100mV即为反应器启动成功。将污泥吸出，以蠕动泵泵入生活污水(COD为400mg·L-1)作为阳极液，外接500Ω外阻，室温下连续运行。以蠕动泵将出水直接泵入反应器使得反应器中回用阳极液体积占反应器总体积的40％，接通外电路进行产电。运行8天后，阳极液的pH值在8.3上下波动，HCO3-的浓度为35mM，BLMFC体系的U为450mV，Pmax为532.2mW·m-2。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法，其特征在于，通过对BLMFC出水进行一定比例的回用，提高阳极液中HCO3

【技术特征摘要】
1.一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法，其特征在于，通过对BLMFC出水进行一定比例的回用，提高阳极液中HCO3-的积累浓度，从而提高阳极液的pH值，消除阳极酸化现象，最终显著提高BLMFC体系的产电稳定性和产电性能。2.根据权利要求1所述的一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：任月萍，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32