1.1.2 环境因子
影响MFC性能的环境因子有许多,如温度、pH、TDS等。本实验主要讨论TDS的影响。
MFC内部含有两个电荷流,其中一个是由阳极流向阴极的电子流,另一个是用来补偿电极电子流的离子流。所以MFC的欧姆损失可分为两种:①电子通过电极、导线和内部连接点时的欧姆损耗;②离子通过膜、阳极和阴极时的欧姆损失。
MFC处理废水的过程中,阳极组成主要是被处理的废水,因此阳极电导率由废水的电导率决定。用电压损失表征能量损失。溶液中的电压损失(∆Es)由电流密度(I)、离子传递距离(L)和溶液电导ρs决定,电压损失按欧姆定律计算如下:
∆Es= I•L/ρs
由于阳极的电导率是由废水决定的,因此阳极离子传输的阻力取决于所使用的废水类型。在实验室的MFC中,所使用的人工模拟废水具有较高的电导率(>5mS/cm),所以电压损失较低[7]。
因此,在整个处理过程中,电导率(或盐度,以TDS计)对微生物燃料电池系统运行及污染物降解过程均有影响,对其进行研究有重要意义。
1.2 微生物燃料电池阴极概述
由于发生在阴极上的反应不易控制,所以阴极的设计是MFC的重要环节。催化剂不仅需要均匀包裹于电极表面,又必须暴露在水和空气中,以便于让质子和电子从液相和固相同时到达。除空气阴极MFC外,研究员们又开发了含液态阴极,常见的有铁氰化物或高锰酸盐的阴极电解液。当前相对较经济的阴极电极是以微生物作阴极催化剂,也就是生物阴极MFC。
1.2.1 微生物燃料电池阴极类型
(1)空气阴极
关于空气阴极构型性能的研究,现阶段中已经有了很多的研究成果。利用空气中含有的氧气作为电子受体,空气中的压强分布是反应的主要推动力。因为在空气阴极MFC中,溶液为阻碍离子传输的主要因素,所以可以不设立质子交换膜(PEM),让
电子直接进行定向迁移。
空气阴极有一个最大的优点,就是可以不用定期向阴极内更换电解液,操作易行,是真正意义上的可持续性MFC。可是这种MFC要添加金属Pt作催化剂,又大大的增加了MFC的成本投入。
(2)可溶性电解液阴极
MFC可以分为有膜和无膜两种形式的反应器。双室反应器通常是有质子交换膜的,能够使用曝气或者液体氧化物作为阴极电子受体。当电子受体为液态氧化物时,由于阴极还原反应是在固液界面上发生的,传质阻力比较小,能够高效地传递电子,因此可以使系统性能更加稳定。
经典的双室MFC是以铁氰化钾为阴极电子受体,它本身并不能保证很高的功率产出。但与在阴极使用氧气作为电子受体的系统相比,它确实增加了一定的功率输出。它还具有一定的局限性,主要是由于它的毒性。张金娜[8]研究发现,高锰酸钾理论上
比铁氰化钾更加适合做阴极电子受体,那是因为它具有比较高的氧化还原电位,而且能够输出更高的功率密度,同时还不会对环境造成二次污染。
(3)生物阴极
生物阴极与非生物阴极相比,不需要使用贵金属或人工电子介体作为催化剂,避免了阴极催化剂费用昂贵、对环境造成毒害从而要经常更换等问题,降低了使用成本,并且增强了MFC的稳定性。同时在生物阴极系统中,还可利用微生物的新陈代谢作用产物增加更多的价值,或者除掉不想保留的化合物。生物阴极分为空气、厌氧(缺氧)阴极以及好氧的生物阴极[9]。
1.2.2 生物阴极
MFC 的阴极是还原反应的发生场所,也是整个系统的重要部分,传统的非生物型阴极,通常情况下氧气是电子受体,为了提升氧气的还原效率,就要在阴极加入催化剂促进反应,催化剂多是一些贵金属元素(如 Pt)。随着研究的进一步进行,这些催化剂慢慢凸显出来种种弊端,为了解决它们的不足,科研人员开始了生物阴极的研究。生物阴极的阴极室里有特定功能的微生物,它们能够附着在电极表面,从而形成生物膜,微生物通过电极传递给的电子,发生相应的生物电化学反应。生物阴极分为两种,好氧生物阴极与厌氧(缺氧)生物阴极[10]。 环境因子对微生物燃料电池中硝基酚降解的影响研究(3):http://www.751com.cn/shengwu/lunwen_26427.html