光合微生物燃料電池的制備及性能研究

光合微生物燃料電池的制備及性能研究

1藻陽(yáng)極微生物燃料微生物燃料（mbc）是一種可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)。利用微生物作為生物催化劑，可以將有機(jī)廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為能耗。最近的研究工作已經(jīng)提出將MFC與微藻結(jié)合構(gòu)成光微生物燃料電池(PMFCs)，以克服持續(xù)供氧的缺點(diǎn)。在此系統(tǒng)中，通過(guò)藻類的光合作用可在陰極室中產(chǎn)生大量氧氣本研究構(gòu)建了藻陰極光合微生物燃料電池，解決了陰極室中因機(jī)械曝氣所產(chǎn)生的能耗問(wèn)題。以斜生柵藻為光合作用藻類在三種MFC系統(tǒng)的陰極室通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣，研究了藻陰極微生物燃料電池在不同運(yùn)行條件下的產(chǎn)電性能，探究了二氧化碳濃度對(duì)微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響，考察并監(jiān)測(cè)了在明暗循環(huán)中陰極溶解氧和pH的變化，采用電化學(xué)分析手段測(cè)量陰極板表面藻類生物膜的氧化還原電位變化。此外，還對(duì)比分析了不同時(shí)期的陽(yáng)極微生物群落，以評(píng)估陰極藻類產(chǎn)生的氧氣對(duì)陽(yáng)極細(xì)菌多樣性的影響。此研究結(jié)果對(duì)光合微生物燃料電池的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。2實(shí)驗(yàn)2.1建立淡水藻類培養(yǎng)體系，進(jìn)一步培養(yǎng)其生物a本研究從昆明市第七水質(zhì)凈化廠厭氧活性污泥中培養(yǎng)提取陽(yáng)極初始微生物。取得的活性污泥在300mL的燒瓶中厭氧密封恒溫悶曝3d，使其轉(zhuǎn)化為嚴(yán)格的厭氧細(xì)菌。將上述厭氧活性污泥靜置1h后，取上清液作為接種液，將10mL的上清液與46mL的相應(yīng)培養(yǎng)基接種入滅菌后的反應(yīng)器中。斜生柵藻購(gòu)于水生生物研究所淡水藻類培養(yǎng)物保藏中心。在加入MFC陰極前，將藻類放入含有BG11培養(yǎng)基的2L錐形瓶中培養(yǎng)，每天搖動(dòng)三次以補(bǔ)充無(wú)機(jī)碳源。光源為L(zhǎng)ED燈(Philips)光照周期為明暗12h/12h。CH2.2生化廢水的膜生成mfc在本研究中，傳統(tǒng)的雙室MFC材質(zhì)由有機(jī)玻璃組成并由質(zhì)子交換膜(Nafion117)隔開(kāi)，如圖1所示。陽(yáng)極室和陰極室的有效體積為140mL。每個(gè)隔室中使用普通石墨氈(北海碳素有限公司)作為電極，有效面積約為28.3cmMFC在25±5℃的室溫下運(yùn)行。初始設(shè)置時(shí)，向MFC的陽(yáng)極室中分批次加入含厭氧細(xì)菌的30mL合成廢水。培養(yǎng)一個(gè)月后，生物膜在陽(yáng)極電極表面生長(zhǎng)。合成廢水配方為1.00g/L乙酸鈉,1.292g/LNaCl,0.80g/LNH2.3極化曲線測(cè)定MFC各階段的溶解氧濃度采用MP516溶解氧測(cè)定儀(上海三信)測(cè)定；pH采用DenverUB-7酸度計(jì)(美國(guó)Denver)測(cè)量。三個(gè)系統(tǒng)中的化學(xué)需氧量(COD)采用DRB200消解儀(美國(guó)HACH)測(cè)定；藻類細(xì)胞密度通過(guò)UV-2600紫外分光光度計(jì)(日本Shimadzu)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(細(xì)胞數(shù)量與680nm吸光度的關(guān)系)估算用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)IPAM-6505在外部負(fù)載值(1000?)下每2min記錄一次MFC輸出的電壓。極化曲線測(cè)試在99999.9～30?范圍內(nèi)的可變電阻箱中進(jìn)行，每個(gè)電阻在穩(wěn)定電壓下連接10min。電流(I)和功率(P)用式(1)和(2)計(jì)算：式中，A是陽(yáng)極室和陰極室之間接觸表面的有效面積，V是電壓，R是外接電阻。陰極電位采用Ag/AgCl參比電極測(cè)定。循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜用CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)量3結(jié)果與討論3.1mfcs的運(yùn)行如圖2所示，在連續(xù)兩個(gè)周期中觀察到穩(wěn)定的電池電壓(215±2mV)，表明產(chǎn)電微生物(EPM)已經(jīng)適應(yīng)并附著在陽(yáng)極板上。將帶有生物膜的陽(yáng)極和新的石墨氈陰極重新組裝成另一組MFC，陰極電解液用BG11介質(zhì)代替。等待電池電壓再次穩(wěn)定一段時(shí)間，將含有斜生柵藻作為接種物的BG11培養(yǎng)基重新注入。陰極藻類曝氣期間，其周期為明暗12h/12h，每天9:30打開(kāi)光照，21:30關(guān)閉。在外加CO陰陽(yáng)極電解液的pH也能影響MFC電壓的產(chǎn)生MFC對(duì)COD的去除能力也是一項(xiàng)重要的檢測(cè)其性能的指標(biāo)。如圖5所示,PMFC,AC-PMFC和MCC在穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)周期后,對(duì)以1.00g/L乙酸鈉為底物的合成廢水中COD的去除率分別為82.3%,76.6%和80.1%。AA-MFC由于運(yùn)行周期比其他電池的運(yùn)行周期時(shí)間長(zhǎng)約1天，其COD的去除率為80.3%。PMFC的電壓輸出低于MCC，其底物的有效產(chǎn)電利用率低于MCC。AC-PMFC陰極氧氣的還原反應(yīng)較慢，底物的有效產(chǎn)電利用率也隨之降低，主要用于微生物的自身生長(zhǎng)繁殖。在不同模式下的MFCs達(dá)到穩(wěn)定電壓后，使用30～5000?的可變電阻箱進(jìn)行極化測(cè)試。圖6(a)和6(b)為MFCs的極化曲線和功率密度曲線，采用空氣曝氣陰極室AA-MFC的開(kāi)路電壓為437mV，低于在陰極室中采用藻類曝氣的PMFC,MCC和AC-PMFC，分別為484,492,488mV。在601.6mA/m3.2生物還原反應(yīng)循環(huán)伏安法用于分析空氣陰極和藻類陰極的催化行為，結(jié)果如圖7所示。無(wú)論是AA-MFC中的空氣曝氣，還是MCC中的藻類曝氣，循環(huán)伏安曲線均未觀察到明顯的氧化還原峰，表明陰極表面的藻類生物膜對(duì)氧的還原沒(méi)有催化作用。因此，基于電壓和溶解氧間的密切關(guān)系，MCC系統(tǒng)中獲得的較高功率密度是由于斜生柵藻在光照下釋放較高濃度的溶解氧，進(jìn)而促進(jìn)陰極板表面的氧還原，此結(jié)果與Walter等藻類–細(xì)菌共生系統(tǒng)可通過(guò)生物催化方法實(shí)現(xiàn)氧還原反應(yīng)，無(wú)須使用昂貴的催化劑長(zhǎng)期運(yùn)行后，采用掃描電鏡觀察陰極表面藻類的形貌特征，結(jié)果如圖9所示。圖9(b)附著藻極板中可以清晰的觀察到細(xì)胞形態(tài)大多為尖條狀的斜生柵藻生物膜。由于藻類生物膜不具備如前所述催化氧還原的能力，MCC中較高的電壓和功率密度是由于藻類生物膜和陰極表面之間產(chǎn)生的高濃度溶解氧促進(jìn)了直接原位氧還原且降低了氧在陰極電解液中的擴(kuò)散阻力。3.3光富集細(xì)菌群落組成實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用PCR和16SrRNA基因檢測(cè)技術(shù)分析陽(yáng)極板表面不同生物膜的微生物群落。如表1所示，在97%的相似度水平上，PMFC的微生物群落數(shù)最多，有224個(gè)操作分類單位，AA-MFC最少，只有149個(gè)操作分類單位。AA-MFC中的Chao1指數(shù)為170，而PMFC為152,MCC為145，表明陰極室中光和高濃度氧的存在可能抑制某些細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，從而降低微生物群落的豐度。然而，AA-MFC,PMFC和MCC的Shannon指數(shù)分別為3.08,3.33和2.96，表明陰極的光富集了優(yōu)勢(shì)細(xì)菌，增加了物種的多樣性在分類學(xué)水平上，細(xì)菌群落組成的信息如圖10所示。三個(gè)系統(tǒng)生物樣品(AA-MFC：機(jī)械曝氣初始啟動(dòng)期間陽(yáng)極微生物樣本；PMFC：傳統(tǒng)的光合微生物燃料電池運(yùn)行期間的陽(yáng)極微生物樣本；MCC：微生物碳捕獲燃料電池運(yùn)行期間的陽(yáng)極微生物樣本)中主要由Proteobacteria(83.9%,78.9%,79.7%)組成，還有少許Bacteroidetes(8.6%,12.5%,5.1%)和Firmicutes(4.4%,6.3%,4.0%)。他們都是電化學(xué)活性細(xì)菌(EAB)，優(yōu)勢(shì)菌種大致相同，在細(xì)胞外電子傳遞過(guò)程(EET)中起較大作用4mcc電池電壓與其他氧漂系統(tǒng)本研究通過(guò)聯(lián)合外加CO(1)陰極以斜生柵藻產(chǎn)生的氧為主要電子受體，但其表面的藻類生物膜不具備生物催化氧還原的性能。(2