高效低成本模块化光合微生物燃料电池过程研究

微生物燃料电池大规模产业化的核心是在降低构建成本的同时提高综合输出功率，途径是发展Fe系催化剂替代Pt以及模块化单电池串、并联组合。活性的Fe系氧化物催化剂可在阳极促进细胞向电极传递电子，在阴极介导氧气与质子及电子结合形成水，兼具廉价、高效的优势。本项目拟采用气相羰基铁直接热解法沉积单质Fe于石墨电极，进一步活化氧化为磁铁矿和赤铁矿等活性铁氧化物修饰石墨电极，建立光合细菌/Fe-C阳极/Fe-C阴极高效电子通道。通过优化设计模块化无膜单室空气阴极微生物燃料电池，并进行串、并联组合提高整体功率输出。利用Fe-C电极在线富集高效产电的光合细菌，研究废水流道分布和水力停留时间、温度、光照条件影响，以及电池组合模式和较高功率输出条件下单电池对电池组运行影响。构建1000W级光合微生物燃料电池系统， BOD5去除率大于80%,电子回收率大于80%，为MFC广泛应用提供依据。

微生物燃料电池大规模产业化的核心是降低构建成本的同时提高综合输出功率，途径是发展低成本催化剂以及模块化单电池串、并联组合。.本项目制备了羰基铁热解沉积铁及PANI-Fe-C两种阴极极催化材料，Fe阴极MFC最大功率密度和表观内阻分别为925mW/m3和278Ω。与阴极无修饰电池相比，电池产电性能明显提高。阴极催化剂PANI-Fe-C电池（MFC-P）的表观内阻为95.55 Ω，最大输出功率密度为10.17 W/m3，分别比使用Pt/C催化剂的微生物燃料电池（MFC-Pt）大29.12 Ω和0.61 W/m3。SEM表明PANI-Fe-C的比表面积仍比Pt/C的比表面积（733.7 m2/g）小，说明PANI-Fe-C的催化性能主要来源于其化学结构。.制备了铁修饰及聚苯胺修饰两种阳极材料，铁修饰石墨毡阳极MFC最大功率密度和表观内阻分别为5.7W/m3和51Ω，聚苯胺修饰阳极功率密度、表观内阻分别为4 W/m3和156 Ω，与阳极无修饰相比，电池产电性能明显提高。.从水体沉积物中分离获得3株产电微生物，PCR测序鉴定结果表明获得光合产电菌种3株。.设计双室立方体MFC，放大至5L，用于产电菌纯菌扩大培养。构建无膜空气阴极微生物燃料电池，放大至50L，用于废水处理。对无膜空气阴极微生物燃料电池的阳极石墨毡数量和阴阳极距离进行优化，发现阳极石墨毡为4块、阴阳极距离为2 cm是该电池产电的最佳结构。当电池处理醋酸钠废水时，最大功率密度达到7.6 W/m3，COD去除率为83.6±3.1%。当处理鸡粪废水时，电池的最大功率密度为6.9 W/m3，COD去除率达到88.3±2.8%。.串、并联微生物燃料电池组可以提高工作电压、电流。适宜的混联方式可以降低由内阻差异而引起的能量损失，外电阻为30 Ω时，混联电池组输出功率密度(30.3 mW/m2)，将25个无膜空气阴极微生物燃料电池串联，组成微生物燃料电池组。电池组的开路电压与内阻分别相当于各个单电池的开路电压之和内阻之和。处理鸡粪废水时，电池组的最大输出功率为12.8 mW，相当于单电池的输出功率相叠加。说明微生物燃料电池组既能提高输出功率，又能大大提高有机废水的处理能力。