CN109411793B - 一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池。所述苍耳子生物炭是苍耳子在惰性气体氛围中高温碳化形成，基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，产电性能良好，更重要的是在长期运行150天后产电性能保持稳定，解决了常用堆积型阳极微生物燃料电池长期运行稳定较差的问题。此外，本发明所述原料价格低廉，制备工艺简单，易于应用。

Description

一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池
技术领域
本发明属于电池及其应用领域，具体涉及一种堆积型阳极的微生物燃料电池。
背景技术
微生物燃料电池，是一种以产电微生物为催化剂，通过其分解有机物将污水中生物质能直接转化为电能的新型燃料电池系统。该电池具有清洁环保等优点，在实际污水处理与污水发电中具有很大的应用前景。其中基于堆积型阳极的微生物燃料电池由于其成本较低，可大规模运用的特点，收到广泛关注。
常用的堆积型阳极以颗粒炭(Water Res，2016，98：396-403)和活性炭(BiochemEng J，2009，47：31-37)堆积，一些生物炭材料(Bioresour Technol，2014，157：114-119；Chemelectrochem，2017，4：168-174)也可以被用作堆积型阳极。这些材料在堆积过程中必须紧密接触以达到良好的导电性(Microbial Fuel Cells.John Wiley&Sons，Inc.：Hoboken，2007)，但紧密的堆积带来的问题是阳极易被污水中的颗粒或者生物膜堵塞，长期运行过程中阳极稳定性较差(Bioelectrochemical Systems：From ExtracellularElectron Transfer to Biotechnological Application.IWA Publishing：London，2009)。此外，颗粒状轻质材料用于堆积型阳极能一定程度上减轻紧密堆积结构的致密程度，用于微生物燃料电池时可以减少堵塞现象，但同时带来的问题是颗粒间接触不够紧密从而阳极导电性能得不到保证(J Power Sources，2011，196：5863-5866)，影响了产电性能。因此，制备产电性能和长期运行稳定性良好的堆积型阳极对微生物燃料电池的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，其良好的产电性能和优异的长期稳定性将促进微生物燃料电池的应用发展。
本发明提供的基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，其组成包括阳极室，附着产电微生物的阳极和空气阴极，其特征在于，阳极由苍耳子生物炭堆积形成，其制备过程为：
(1)用去离子水清洗苍耳子，在100℃温度下烘干，所得苍耳子在惰性气体保护下，700-900℃温度下碳化3-5小时；
(2)将碳化形成的苍耳子生物炭收集并置于集电金属网编织的圆柱形筒中，堆积紧密致其不能自由移动；
(3)将阳极置于阳极室中，与空气阴极组合形成密闭的阳极室，由导线连通阳极和阴极，所述导线上设有负载。
本发明的有益效果为：基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，产电性能良好，且长期运行150天产电性能保持稳定。此外，本发明所述原料价格低廉，制备工艺简单，易于应用。
附图说明
图1为本发明实施例1-3的微生物燃料电池构型示意图。
图2为本发明实施例1中的(a)苍耳子和苍耳子生物炭的照片，以及(b，c，d)苍耳子生物炭的扫描电子显微镜图像。
图3为本发明实施例3中的木质活性炭照片。
图4为本发明实施例1-3中的微生物燃料电池在启动成功时(15天)的功率曲线与极化曲线。
图5为本发明实施例1-3中的微生物燃料电池在长期运行后(150天)的功率曲线与极化曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
实施例1：
(1)阳极制备：用去离子水清洗苍耳子(图1中部件1)，在100℃下烘干，所得苍耳子置于管式炉中，在氮气保护下，900℃温度下保持3小时碳化；将碳化形成的苍耳子生物炭(4.1g)收集并置于钛网编织的圆柱形筒中(图1中部件2，体积45cm3)，堆积紧密致其不能自由移动，形成基于苍耳子生物炭的堆积型阳极。特别强调的是，苍耳子具有圆形或者椭圆形的形状，表面具有向外生长的针刺，在碳化过程中保持了这种特殊外形(图2)。在扫描电镜下可以看到，苍耳子生物炭表面粗糙，而表面的针刺存在中空的孔结构(图3)，为产电微生物提供了生长空间。在形成堆积型阳极后，虽然堆积紧密，但苍耳子外延的针刺结构使得苍耳子生物炭堆积型阳极中仍具有大量的空隙，使苍耳子生物炭与阳极底物充分接触，并且外延的针刺保证了良好的导电性。
(2)电池组装：本实施例中采用单室微生物燃料电池构型，如图1所示，部件1为苍耳子生物炭，部件2为钛网编织的圆柱形筒，部件3为阳极室，部件4为负载，部件5为阴极。本实施例中，阳极腔室容积500mL，将基于苍耳子生物炭的堆积型阳极置于阳极室，通过导线与阴极相连。本实施例中阴极采用负载铂催化剂的碳布材料，以1g/L的醋酸钠溶液(50mM磷酸缓冲液)为阳极底物溶液。阴极制备方法如下：1)将30％疏水的碳布在无水乙醇溶液中超声30min后用去离子水洗净；2)用烘箱烘干以后，在碳布一侧喷涂20％聚四氟乙烯乳液用作气体扩散层(5mg/cm-2)，并在马弗炉内350-370℃固化30min；3)取出后在碳布另一侧喷涂上Pt/C催化剂(0.8mg/cm-2)，以相同方式在马弗炉内固化。电池组装完成后以市政污水中活性污泥作为接种源，加入阳极底物溶液，用导线连接阳极和阴极并在其间连接1000Ω的电阻，电阻两端电压稳步上升至稳定(～0.45V)，则电池启动成功，此时认为堆积型阳极表面成功附着了产电微生物。
(3)电池产电性能测量：微生物燃料电池启动成功后，以阴极为工作电极，阳极为参比电极和对电极，利用电化学工作站通过线性扫描法(扫速0.1mVs-1)测定电池的线性扫描伏安图并计算得到功率-电流曲线(见图1)，扫描范围为开路电压至0V。如图4所示本实施例中微生物燃料电池启动成功时(15天)的最大输出功率达到0.63mW，在长期运行150天后最大输出功率为0.64mW。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于苍耳子碳化形成苍耳子生物炭过程中，苍耳子在氩气保护下，700℃温度下保持5小时碳化；集电金属网为不锈钢网。如图4所示本实施例中微生物燃料电池启动成功时(15天)的最大输出功率达到0.60mW，在长期运行150天后最大输出功率为0.60mW。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于阳极由常用的颗粒状木质活性炭(31.9g，如图3)堆积于钛网编织的圆柱形筒中形成，该阳极堆积紧密，内部具有较小的空隙，作为对照与实施例1和2进行比较。如图4所示本实施例中微生物燃料电池启动成功时(15天)的最大输出功率达到0.61mW，在长期运行150天后最大输出功率为0.22mW。
通过将实施例1，2，3中的堆积型阳极微生物燃料电池的产电性能进行比较，我们可以看出，在微生物燃料电池启动成功达到稳定状态时(图4)，三种微生物燃料电池达到类似的产电性能，而在微生物燃料电池运行150天后，实施例1和2中的微生物燃料电池的产电性能基本保持不变，而实施例3中的微生物燃料电池产生了极大的产电性能下降，由此我们可以看出基于苍耳子生物炭的堆积阳极具有优异的稳定性，这是由苍耳子生物炭特殊的外形带来的有益效果。
上述实施例1和2为本发明较佳的实施方案，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，其组成包括阳极室，附着产电微生物的阳极和空气阴极，其特征在于，阳极由苍耳子生物炭堆积形成，其制备过程为：
(1)用去离子水清洗苍耳子，在100℃温度下烘干，所得苍耳子在保护性气氛下，700-900℃温度下碳化；
(2)将碳化形成的苍耳子生物炭收集并置于集电金属网编织的圆柱形筒中，堆积紧密致其不能自由移动；
(3)将阳极置于阳极室中，与空气阴极组合形成密闭的阳极室，由导线连通阳极和阴极，所述导线上设有负载。
2.根据权利要求1所述的一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，其特征在于所述负载为电阻或电能收集装置。
3.根据权利要求1所述的一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，其特征在于所述集电金属网为钛丝网或不锈钢丝网。
4.根据权利要求1所述的一种基于苍耳子生物炭堆积型阳极的微生物燃料电池，其特征在于碳化过程中的保护性气氛为氮气或者氩气。
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