磁场效应对无介体微生物燃料电池产电特性的影响及机理研究

在无介体微生物燃料电池(MFC)中，采用G. sulfurreducens PCA (ATCC 51573)纯菌种，在不同磁场类型和磁感应强度下，考察磁场驯化菌种在磁场持续作用的MFC中的产电特性，明确磁场效应的影响因素。采用电化学方法研究磁场作用下阳极生物膜的电子传递动力学，建立生物膜的参数与电子传递动力学之间的关系。提取阳极生物膜的细菌胞外聚合物(EPS)，研究磁场效应对EPS组成的影响及EPS的电子传递动力学，建立EPS中蛋白质含量与产电特性之间的关系。提取阳极生物膜的细菌外膜C型细胞色素，通过蛋白质纯化方法提纯并进行表征，研究磁场效应对外膜C型细胞色素电子传递动力学的影响。在分析磁场效应对阳极生物膜、EPS和外膜C型细胞色素三方面影响基础上，探讨磁场效应对无介体MFC产电特性的影响机理，为磁场效应强化无介体MFC产电技术及其在废水处理中的工业化应用提供理论依据。

本项目构建了以污水中混合菌和Geobacter sulfurreducens为产电菌接种的两类双室无介体MFC，系统地研究了MFC的启动过程、产电性能及产电机理。同时以提高MFC的产电性能为目标，采用阳极加载磁场及纳米CeO2修饰阳极的方法强化MFC产电。.采用阳极加载稳恒磁场强化混合菌接种MFC产电。将MFC置于不同方向（与阳极垂直、平行）、不同强度（0、100、200、300mT）的稳恒磁场下，考察磁场对MFC产电特性的影响。结果发现，一定强度的磁场能够强化MFC的产电，但不同磁场方向的影响有差异。磁场方向与阳极垂直时，强化效果较好。阳极加载磁场加速了MFC的启动，200mT时性能达到最佳，其最大功率密度为1.56W/m2。EIS结果显示阳极电荷转移内阻远高于阴极。在200mT下，全电池和阳极的电荷转移内阻分别下降了56.6%和57.2%。结果也发现磁场强化MFC产电存在合适的强度范围。.以Geobacter sulfurreducens接种MFC，在MFC阳极垂直加载0、100、200、300、400mT强度的磁场，研究了磁场对MFC产电特性的影响。结果发现加载100mT可以同时缩短启动时间和提高启动电压；加载200、300、400mT只能提高启动电压。加载磁场可以提高COD去除率和库仑效率，200mT促进作用最强。加载磁场可以减小MFC的表观内阻，提高最大功率密度。EIS结果表明200mT时全电池的活化内阻最小，300mT时阳极活化内阻最小。最佳磁场强度为100~200mT。.采用纳米CeO2修饰碳毡阳极强化MFC产电。利用溶胶凝胶法制备纳米CeO2并采用XRD、TEM进行表征。CV测试发现修饰阳极比表面积更大，并能提高产电菌的生物电化学活性。修饰阳极的MFC获得了更低的阳极电位，从而提高了电池的闭路电压。修饰阳极的MFC最大功率密度为2.94W/m2，内阻为77.1Ω。纳米CeO2修饰阳极促进了电池的产电性能。EIS结果表明修饰阳极的电荷转移内阻显著下降。纳米CeO2作为催化剂可以有效改善MFC的阳极性能。