微生物燃料電池輸出功率影響因素綜述

1、年第期Number 水電與新能源HYDROPOWER AND NEW ENERGY 總第期Total No 文章編號(hào)：（）收稿日期：作者簡(jiǎn)介：顧熠澐，女，雙學(xué)士，研究方向?yàn)楹拥拦芾?、水污染控制。微生物燃料電池輸出功率影響因素綜述顧熠澐（浦東新區(qū)河道管理署，上海）摘要：微生物燃料電池（MFC ）是一種通過微生物的催化作用將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的生物反應(yīng)裝置。本文在MFC 產(chǎn)電原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有的研究結(jié)果綜合敘述了微生物燃料電池中微生物的生物催化活性、產(chǎn)電底物、陽極材料及構(gòu)造、陰極電子受體、膜材料及面積、電極間距和操作條件對(duì)MFC 產(chǎn)電性能的影響。關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；內(nèi)阻；功率密

2、度；影響因素中圖分類號(hào)：Q ：O 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A：GU Yiyun（River Management Agency of Pudong New District ，Shanghai ，China ）：Microbial fuel cells （MFCs ）are devices that transform chemical energy in organic matters into electrical en ergy with microorganisms as the catalysts Based on the basic principles of MFCs ，this revie

3、w summarizes different influ encing factors on the output power of MFCs reported in various studies ，including the catalytic activity of anode biocata lyst ，substrates ，materials and configuration of the anode ，electron acceptors of the cathode ，materials and areas of the membrane ，electrode spacing

4、 and operation conditions ：Microbial fuel cells ；Internal resistance ；Power density ；Influencing factors 目前，解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和探索新能源是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的根本。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell ，MFC ）是將解決環(huán)境污染問題與生產(chǎn)新能源有機(jī)結(jié)合起來的新技術(shù)之一。它是利用微生物作為生物催化劑將污染環(huán)境的有機(jī)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為電能的裝置，可利用各種污水為原料并能產(chǎn)生潔凈能源，具有操作條件溫和、生物相容性強(qiáng)，安全、高效、連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。其鮮明的特點(diǎn)和多功能特性

5、已引起了人們廣泛的關(guān)注。但是，目前MFC 技術(shù)在處理污水及產(chǎn)能方面尚處于研究的初級(jí)階段，產(chǎn)電功率還比較低。因此，研究MFC 產(chǎn)電性能的影響因素對(duì)MFC 的開發(fā)利用具有指導(dǎo)意義。許多研究者對(duì)MFC 產(chǎn)電性能的影響因素作了相關(guān)研究，但這些研究工作比較零碎、分散。本文從MFC 工作原理出發(fā)，總結(jié)分析了MFC 輸出電壓的影響因素，以期對(duì)MFC 的構(gòu)建及開發(fā)有借鑒意義。微生物燃料電池生化轉(zhuǎn)化原理無論是何種形式的微生物燃料電池（MFC ），其根本產(chǎn)電原理即為電活性微生物代謝分解陽極底物產(chǎn)生電子和質(zhì)子氫，電子流經(jīng)細(xì)胞電子傳遞鏈，一部分為細(xì)胞生長(zhǎng)代謝所利用，一部分直接或間接傳遞至陽極表面。由于陰極和陽極之間的

6、電勢(shì)差，陽極電子經(jīng)由外電路傳遞至陰極，在陰極區(qū)供給電子受體。而質(zhì)子氫則遷移到達(dá)陰極區(qū)與電子受體接受電子后生成的物質(zhì)反應(yīng)，從而形成回路，產(chǎn)生電能。圖所示為雙室MFC 工作原理。以葡萄糖為陽極底物采用氧氣作為陰極電子最終受體時(shí)，在微生物作用下，陰陽極及內(nèi)電路發(fā)生的反應(yīng)如下所示。水電與新能源年第 期圖雙室MFC（微生物燃料電池）工作原理示意圖陽極反應(yīng)：CHOHO微生物作用COeHE o V陰極反應(yīng)：OeHHO E oV微生物燃料電池輸出功率影響因素通過上述對(duì)MFC工作原理分析可知，一個(gè)反應(yīng)器確定了的MFC完成產(chǎn)電過程需經(jīng)過：電活性微生物代謝分解底物、電子傳遞至陽極、電子經(jīng)外電路傳遞至陰極、陰極傳遞至

7、電子受體、質(zhì)子氫遷移至陰極區(qū)等過程。因此，凡是能影響其中任何一個(gè)過程的因素都能影響MFC產(chǎn)電性能。雖然微生物燃料電池的反應(yīng)器構(gòu)型也是影響其輸出功率的一個(gè)主要因素，但本文從MFC產(chǎn)電原理出發(fā)，著重強(qiáng)調(diào)一般性MFC輸出功率的影響因素?？傮w而言，MFC受電活性微生物活性、陽極底物、電子傳輸阻力、電子受體、質(zhì)子遷移阻力等因素影響。要提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能，則需降低這些因素對(duì)MFC的影響。下面就這幾方面的影響因素作詳細(xì)闡述。電活性微生物在MFC中，電活性微生物通過降解有機(jī)物，產(chǎn)生電子和質(zhì)子，繼而產(chǎn)生電能。因此，電活性微生物活性能顯著影響MFC產(chǎn)電性能，若微生物活性高，將有機(jī)物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化為二氧化碳，此時(shí)底物

8、氧化最徹底，碳元素化合價(jià)升高最多，即形成的電子數(shù)量最大，輸出電能也將增大。產(chǎn)電微生物來源較為廣泛，種類繁多，其種類大致來自于細(xì)菌域的個(gè)分支：變形菌、酸桿菌和厚壁菌。目前比較高效的產(chǎn)電微生物主要集中于變形菌的固體金屬氧化物還原菌，如Geobacter sulfurreducens、Shewanella putrefaciens和Rhodoferax ferrireducens 等，酸桿菌有Geothrixfermentans，而厚壁菌有Clostridium butyricum和Desulfitobacterium hafniense，但厚壁菌的這兩種細(xì)菌產(chǎn)電能力相對(duì)較弱。另外，從MFC中的微生

9、物菌群結(jié)構(gòu)來看，MFC中的微生物有純菌和混合菌之分。有研究結(jié)果表明，微生物燃料電池中使用混合微生物群落而不用純培養(yǎng)的微生物，可以使微生物燃料電池的發(fā)電量提高大約倍，且可以在陽極表面富集優(yōu)勢(shì)微生物菌。這可能是由于混合菌之間存在協(xié)同作用。同時(shí)，產(chǎn)電微生物在電極表面生長(zhǎng)形成的具有電活性的生物膜對(duì)MFC的內(nèi)阻和產(chǎn)電性能也有重要影響。Picioreanu等采用計(jì)算機(jī)模擬了電極表面微生物的生長(zhǎng)對(duì)MFC產(chǎn)電的影響，研究表明隨著生物膜在電極表面的生長(zhǎng)，MFC的內(nèi)阻降低，產(chǎn)電功率增大；當(dāng)生物膜達(dá)到一定厚度后，內(nèi)阻會(huì)升高，產(chǎn)電功率會(huì)下降，這主要是由于MFC擴(kuò)散內(nèi)阻的增加。趙磊等人通過對(duì)大腸桿菌和普通變形菌的比較，

10、考察了兩種菌株的產(chǎn)電能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)以普通變形菌為產(chǎn)電微生物的電池極化現(xiàn)象較輕，電池內(nèi)阻較低，且開路電壓和最大電流密度均高于以大腸桿菌為產(chǎn)電微生物的MFC。另外，溫度會(huì)影響MFC中產(chǎn)電微生物的活性，從而影響其產(chǎn)電性能。在一定溫度范圍內(nèi)，提高溫度有利于提高電池功率輸出。趙煜等人研究了溫度對(duì)間歇式大腸桿菌生物燃料電池的影響。結(jié)果表明：溫度從提高到，最大功率密度從mWm增加到mWm，增長(zhǎng)了倍。但溫度太高反而不利于MFC的運(yùn)行，當(dāng)溫度為時(shí)，最大功率密度只有mWm。詹亞力等人的研究也有類似的結(jié)果。黃素德等人的研究表明溫度低于或高于時(shí)，酵母菌的產(chǎn)電活性和MFC的產(chǎn)電性能都會(huì)受到較大影響。陽極底物微生物燃料電

11、池是一種利用可溶性有機(jī)廢物和可再生生物質(zhì)等原料萃取電能的裝置，而底物作為能量轉(zhuǎn)化的能源物質(zhì)，是影響微生物燃料電池產(chǎn)電能力的重要因素之一。目前用作MFC陽極底物的物質(zhì)包括顧熠澐：微生物燃料電池輸出功率影響因素綜述年月單一的有機(jī)物和混合有機(jī)物，前者如醋酸鹽和乙醇等簡(jiǎn)單的有機(jī)物、葡萄糖、纖維素、淀粉、氨基酸等分子質(zhì)量相對(duì)較大的發(fā)酵性有機(jī)物。后者有生活污水、養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液等。微生物氧化底物傳遞電子的能力直接影響著MFC的電能轉(zhuǎn)化效率。一般而言，污水、污泥、發(fā)酵液等混合物中含有多種膠體物質(zhì)和有機(jī)物，成分較純物質(zhì)復(fù)雜，從而導(dǎo)致以這些物質(zhì)作為底物的MFC內(nèi)阻大，輸出功率較低。JooYoun等人在同一運(yùn)

12、行條件下，采用電化學(xué)阻抗譜法分析了利用醋酸鹽和發(fā)酵廢水產(chǎn)電的MFC的內(nèi)阻組成，發(fā)現(xiàn)了兩種MFC的歐姆內(nèi)阻相差不大，但利用發(fā)酵廢水的MFC的電荷遷移內(nèi)阻遠(yuǎn)高于單一的醋酸鹽。不同純種底物的MFC產(chǎn)電功率和內(nèi)阻也不同。一般而言，在同等條件下，底物越簡(jiǎn)單，內(nèi)阻越小，輸出功率越大。孫曉英等人研究了同等濃度的乙酸鈉、葡萄糖、蔗糖、D木糖、可溶淀粉種原料為底物的MFC產(chǎn)電性能，結(jié)果表明在體積質(zhì)量為gL條件下，輸出功率由大到小順序依次為：乙酸鈉、葡萄糖、D木糖、蔗糖、淀粉。Logan等人發(fā)現(xiàn)在醋酸鹽初始濃度為gL的條件下，方形單室空氣陰極MFC的內(nèi)阻只有。Huang和Angelidaki等人以木糖作為MFC的

13、底物，通過電化學(xué)阻抗譜法測(cè)得其內(nèi)阻為。不同的底物濃度對(duì)MFC的產(chǎn)電性能也有影響。Wang等人的研究表明，在不同濃度的乙酸鈉、kg COD（mday），發(fā)現(xiàn)電流密度和庫倫效率都隨著負(fù)荷的降低而增加，且在kg COD（md）獲得最大的開路電壓（mV）和最大功率密度（Wm）。另外，有研究表明，在各種碳源培養(yǎng)的MFC中，菌群的結(jié)構(gòu)存在著明顯的差異。乙酸鈉為初始底物啟動(dòng)的MFC陽極生物膜中占主要的是擬桿菌綱（Bacteroidetes）和變形菌綱（Deltaproteobacteria）微生物；葡萄糖為初始底物啟動(dòng)的MFC陽極生物膜中占主要的則是擬桿菌綱（Bacteroidetes）、芽孢桿菌（Baci

14、lli）、變形菌綱（Alphaproteobacteria）和變形菌綱（Deltaproteobacteria）。菌群結(jié)構(gòu)的差異可能影響了MFC產(chǎn)點(diǎn)效率的高低。電子傳輸阻力電子傳輸過程即電子從微生物膜傳至陽極，陽極經(jīng)外電路傳至陰極，陰極傳給電子受體的過程。目前所公認(rèn)的從微生物膜到陽極電子傳遞的方式主要有種：生物膜接觸傳遞、納米導(dǎo)線輔助傳遞和電子穿梭傳遞。具體原理還在研究當(dāng)中，本文主要敘述陽極材料及其表面積對(duì)MFC內(nèi)阻的影響。目前用作MFC陽極的材料有碳材料、石墨材料、活性炭材料、導(dǎo)電聚合物、修飾陽極等。通常采用比表面積大、到點(diǎn)性能好的材料，有利于MFC產(chǎn)電。不同種陽極材料對(duì)MFC產(chǎn)電性能產(chǎn)生影

15、響。Zuo 等人采用碳紙和碳刷兩種陽極材料研究了管型MFC，發(fā)現(xiàn)以碳紙作為陽極的MFC內(nèi)阻范圍為，而以碳刷為陽極的MFC的內(nèi)阻相對(duì)較小，為。Zhao等人的研究比較了活性炭、碳纖維和石墨片作陽極的MFC功率輸出。當(dāng)活性炭作陽極時(shí)，輸出功率最大。Li等人的研究表明活性炭作陽極的MFC 的功率輸出比碳布作陽極高出倍多，并且以活性炭作為陽極的MFC庫倫效率達(dá)到了，而以碳布作陽極的MFC庫倫效率只有。Ouitrakul等人結(jié)合模型和阻抗譜的分析方法，比較了碳?xì)?、銀、鎳、不銹鋼和鋁的阻抗，發(fā)現(xiàn)各類電極溶液阻抗和電極阻抗都在范圍內(nèi)，但除銀外的其他非碳電極的界面阻抗遠(yuǎn)高于碳?xì)蛛姌O，鋁電極為k，鎳和不銹鋼都超過

16、了M。同種材料不同結(jié)構(gòu)的陽極同樣對(duì)MFC產(chǎn)電性能有影響。Chaudhuri等人對(duì)比石墨棒、石墨氈和石墨泡沫作陽極的電流密度變化，石墨氈產(chǎn)生的電流密度是石墨棒的倍以上，石墨泡沫產(chǎn)生的電流密度是石墨棒的倍。黃霞等人的研究表明，增加多孔電極的孔體積、表面積以及內(nèi)孔徑都可以提高陽極上的微生物量，并降低了陽極內(nèi)阻；增加非多孔電極的表面粗糙度也可增加陽極上的微生物量，同時(shí)降低了陽極內(nèi)阻。近年來，有研究者采用修飾陽極進(jìn)一步提高了MFC的產(chǎn)電性能。Prasad等人以鉑聚苯胺符合修飾的石墨電極作MFC陽極，其電流高于石墨電極，表明鉑具有催化活性，可以提高微生物細(xì)胞與陽極間的電子轉(zhuǎn)移能力。Logan等人以氨氣處理

17、石墨刷陽極，MFC的產(chǎn)電密度高達(dá)mWm。Wang等人以丙酮，高熱（，min）和氨氣（，min，的氨氣）處理碳刷陽極，高熱處理陽極的MFC的產(chǎn)電密度為mWm，只比氨氣處理陽極的產(chǎn)電密度（mWm）低，比丙酮處理陽極的MFC的產(chǎn)電密度（mWm）高。水電與新能源年第期陰極電子受體MFC作為燃料電池的一種，與一般燃料電池一樣，陽極底物與陰極電子受體之間的電勢(shì)差決定了電池的極限電壓。在MFC中陽極底物一般為有機(jī)物，而有機(jī)物電勢(shì)相差不大。因此，不同陰極電子受體的電勢(shì)決定了MFC的極限電壓值。目前，常用作陰極電子受體的物質(zhì)有：溶氧、空氣、鐵氰化鉀、高錳酸鉀、重鉻酸鉀和雙氧水等。一般，氧化還原電位高，傳質(zhì)速率快

18、的陰極電子受體MFC內(nèi)阻小，輸出電壓和功率大。谷璽等人研究了雙室MFC中以鐵氰化鉀、重鉻酸鉀、高錳酸鉀作為陰極電子受體時(shí)的電壓輸出。結(jié)果表明，電子受體陰極液為mmolL，pH為，外電路負(fù)載為，在電池穩(wěn)定運(yùn)行的h中，以鐵氰化鉀微電子受體的電池外電壓平均值為mV，最大值為mV；重鉻酸鉀外電路電壓平均值為mV，最大值為mV；高錳酸鉀外電路電壓平均值為mV，最大值為mV。Oh等人比較了鐵氰化鉀和氧氣作為陰極電子受體時(shí)MFC的電子情況，發(fā)現(xiàn)在相同的運(yùn)行條件下，由于鐵氰化鉀的氧化還原電位和傳質(zhì)效率比氧高，鐵氰化鉀陰極MFC的內(nèi)阻為，而渡鉑溶氧陰極MFC的內(nèi)阻為。張曉艷等人以gL雙氧水為電子受體，在pH、溫

19、度約為下處理垃圾滲濾液，電池的最大輸出功率密度達(dá)Wm，開路電壓為V，內(nèi)阻為。雖然鐵氰化鉀、高錳酸鉀、重鉻酸鉀和雙氧水等氧化還原電位較高，用作MFC陰極電子受體時(shí)，MFC輸出電壓和功率較高。但由于溶氧和空氣價(jià)廉無毒等原因，目前公認(rèn)最合適的陰極電子受體還是溶氧和空氣。質(zhì)子遷移阻力質(zhì)子遷移阻力是指在質(zhì)子從陽極區(qū)透過電解液和質(zhì)子交換膜遷移至陰極區(qū)與電子及電子受體反應(yīng)的過程中所受到的阻力。該阻力與膜材料和面積、電極間距等因素有關(guān)。膜材料和面積離子交換膜分隔MFC的陰陽極兩室，同時(shí)是質(zhì)子或其他離子遷移的通道。在有膜存在的反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)，膜引起的內(nèi)阻是MFC內(nèi)阻的重要組成，膜面積和電極一樣對(duì)MFC內(nèi)阻和功率密度

20、也有十分重要的影響。孫曉英等人以乙酸鈉為碳源，鐵氰化鉀溶液為電子受體，以普通雙極膜、特種雙極膜和質(zhì)子交換膜構(gòu)建的MFC進(jìn)行產(chǎn)電性能的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：普通雙極膜電池開路電壓為V，最大功率密度為Wm，內(nèi)阻為；特種雙極膜電池開路電壓為V，最大功率密度為Wm，內(nèi)阻為；質(zhì)子交換膜電池開路電壓為V，最大功率密度為Wm，內(nèi)阻為。Sun研究了微濾膜做分隔材料時(shí)MFC的產(chǎn)電情況，研究發(fā)現(xiàn)，相比質(zhì)子膜，采用微濾膜時(shí)MFC的最大功率密度增加了倍。同時(shí)，相比無膜的MFC，采用微濾膜的MFC庫倫效率更高。Zuo研究發(fā)現(xiàn)，在超濾膜表面鍍上一層催化劑和導(dǎo)電層后，以超濾膜作為分隔材料的MFC獲得了高達(dá)Wm的功率密度，而相

21、同條件下以陽離子交換膜為分隔材料的MFC的功率密度僅為Wm。王萬成等人考察了均相陽離子交換膜、異相陽離子交換膜、異相陰離子交換膜種離子交換膜的MFC的產(chǎn)電性能。結(jié)果表明：采用均相陽離子交換膜的MFC所產(chǎn)生的穩(wěn)定功率最大，為mWm；其次是異相陽離子交換膜，為mWm；而異相陰離子交換膜只有mWm。膜面積的大小對(duì)MFC內(nèi)阻也有一定影響。Oh等人在固定電極面積為cm的情況下，分別研究了不同面積質(zhì)子交換膜（、和cm）對(duì)雙室MFC內(nèi)阻的影響，發(fā)現(xiàn)MFC內(nèi)阻隨著膜面積增加而減小，在種面積下，MFC的內(nèi)阻分別為、和。電極間距在一定范圍內(nèi)，電極間距離的減小使得溶液中質(zhì)子的傳遞距離減小，有利于降低體系內(nèi)阻，提高輸

22、出功率。葉曄捷等人研究了電極間距對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響，結(jié)果表明，在底物COD濃度為gL，pH的條件下，將陰陽極的間距由cm減小到cm，最大功率密度由mWm增至mWm，內(nèi)阻由降至，計(jì)算得庫倫效率由增加到。用穩(wěn)態(tài)放電法測(cè)定歐姆電阻，分別為（cm）、（cm）和（cm）。王萬成等人采用異相陽離子交換膜、未拋光的高純石墨板（cm cm）構(gòu)建微生物燃料電池，調(diào)節(jié)電極間距分別為cm和cm時(shí)發(fā)現(xiàn)，電極間距擴(kuò)大使電池輸出功率明顯降低，從mWm降到mWm。在葉曄捷等人的研究中，考察了電極間距分別為、顧熠澐：微生物燃料電池輸出功率影響因素綜述年月和cm時(shí)的MFC產(chǎn)電性能，結(jié)果表明，當(dāng)間距從cm 減少到cm時(shí)，最大

23、功率密度從mWm提高到mWm，提高了約。相應(yīng)地，內(nèi)阻由降到，降低了約。Ghangrekar 等人研究了電極間距分別為、cm和cm對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響，結(jié)果表明，電極間距為cm 時(shí)的MFC輸出功率密度最大，為mWm，其次是cm，為mWm，最低是cm時(shí)為mWm。Cheng等人研究表明，在序批式MFC 中，在葡萄糖底物濃度為mgL的條件下，當(dāng)電極間距從cm降到cm時(shí)，最大的功率密度由mWm降至mWm；連續(xù)流MFC中，葡萄糖底物濃度為mgL時(shí)，電極間距為cm時(shí)的最大輸出功率密度為mWm（外阻），電極間距為cm時(shí)的最大輸出功率密度為mWm（外阻），電極間距進(jìn)一步減少至cm時(shí)的最大輸出功率密度為mWm（

24、外阻）。實(shí)際運(yùn)行條件的影響電解液的離子濃度（電導(dǎo)率）微生物通常有一定的離子強(qiáng)度耐受力，在微生物的耐受范圍內(nèi)，提高離子強(qiáng)度可以增加溶液電導(dǎo)率，從而可以降低MFC的歐姆內(nèi)阻，提高其產(chǎn)能。而當(dāng)離子強(qiáng)度高于微生物的耐受限時(shí)，某些細(xì)菌不能很好地生長(zhǎng)，會(huì)增加電池內(nèi)阻，使電池產(chǎn)電性能降低。Oh等人向陽極室和陰極室分別添加KCl，增加溶液的離子強(qiáng)度，使其電導(dǎo)率由mScm提高到mScm，發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)阻由降低到。Liu等人研究了單室MFC在不同離子強(qiáng)度情況下的產(chǎn)電，發(fā)現(xiàn)當(dāng)離子強(qiáng)度為、和mmolL時(shí)，電池內(nèi)阻分別為、和，離子強(qiáng)度為mmolL時(shí)的功率密度比mmolL時(shí)高。當(dāng)離子濃度高出一定值時(shí)，產(chǎn)電微生物的活性將被限制

25、，內(nèi)阻反而會(huì)升高。在Huang等人的研究中，將離子濃度由mmolL 升高到mmolL時(shí)，內(nèi)阻由增加到，增加的主要為陽極內(nèi)阻。盡管提高電解液的離子濃度能夠降低MFC的內(nèi)阻，但同時(shí)也會(huì)提高M(jìn)FC的成本，并可能會(huì)造成二次污染，因此在選擇電解液及其離子濃度時(shí)應(yīng)該綜合考慮。電解液的pHpH值是影響微生物燃料電池內(nèi)阻的重要因素，一方面pH值影響MFC中微生物的活性，另一方面在MFC兩極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)與pH值直接相關(guān)。大部分的MFC都在中性pH環(huán)境下運(yùn)行，這有利于微生物的生長(zhǎng)和電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。李賀通過添加緩沖溶液，調(diào)整陰極區(qū)pH值為、時(shí)對(duì)MFC的產(chǎn)電性能影響做了研究。結(jié)果表明，在pH為的條件下的MFC穩(wěn)定

26、且平均功率密度最大為mWm，pH為、的MFC平均功率密度分別為、mWm和mWm；同時(shí)還做了陽極區(qū)pH為、條件下MFC產(chǎn)電性能研究，結(jié)果表明，在pH時(shí)的MFC中平均功率密度最大為mWm，pH為的次之為mWm，pH為的最小為mWm。表明陰極區(qū)pH適合弱酸性，而陽極區(qū)pH適合弱堿性。Gil等人研究了雙室MFC利用污水產(chǎn)電的過程，發(fā)現(xiàn)在初始pH都為時(shí)，陽極室pH 會(huì)降到，而陰極室pH會(huì)升高到，此時(shí)微生物活性以及陽極產(chǎn)生電子向陰極傳遞的速率都會(huì)降低，MFC的傳遞內(nèi)阻升高，其產(chǎn)電性能降低。為緩解這一問題，許多研究者都向底物中添加緩沖溶液來維持MFC運(yùn)行過程中的pH環(huán)境。Fan等人向MFC中添加碳酸氫鹽緩沖

27、液，同時(shí)在pH范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溶液，發(fā)現(xiàn)MFC的歐姆內(nèi)阻變化不大（），但其電荷遷移內(nèi)阻和擴(kuò)散內(nèi)阻變化較大；而MFC的總內(nèi)阻由pH為時(shí)的降低到pH為時(shí)的，當(dāng)進(jìn)一步提高pH至?xí)r又增加到。傳質(zhì)條件由MFC工作原理可知，陽極液相中有機(jī)物通過擴(kuò)散等傳遞至陽極生物膜被產(chǎn)電微生物利用，進(jìn)而產(chǎn)生電子與質(zhì)子，質(zhì)子又通過擴(kuò)散等傳遞至陰極；陰極區(qū)液相中電子受體與質(zhì)子等通過擴(kuò)散傳遞至陰極與電子反應(yīng)形成回路?？梢姡贛FC中，傳質(zhì)條件的好壞會(huì)直接影響到MFC的產(chǎn)電性能。目前，對(duì)雙室型MFC，改變陽極室水力學(xué)條件和增加陰極室混合度是常用的提高產(chǎn)電性能的有效方法之一；單室型MFC中適當(dāng)增加混合程度有利于提高輸出功率。Heijne

28、等人通過使用并流通道式陽極改變陽極區(qū)水力學(xué)條件，MFC產(chǎn)電達(dá)到Wcm。Chiao等人采用并行流道式陽極，增加質(zhì)子傳遞效率，開路電壓比未用流道式陽極MFC增加倍。Cha等人研究的雙室型MFC中，發(fā)現(xiàn)陰極區(qū)溶液只要滿足一定的混合水電 與新 能 源 年第 期 度，溶解氧在 時(shí)亦能穩(wěn)定維持較高的輸出功 率 程度提高傳質(zhì)效率， 發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速提高到 時(shí)， 最大功率密度最大，為 ；轉(zhuǎn)速繼續(xù)增 。 唐璐通過改變攪拌速率提高沉積式 混合 ， ， ， ， ， ， ， （）： 加時(shí)， 輸出功率密度降低， 可能的原因是由于轉(zhuǎn) 速過快，使得溶液充氧嚴(yán)重， 破壞陽極厭氧環(huán)境，使得 輸出功率降低。 （）： 張翼峰不同底物的微生物燃料電池陽極菌群及其產(chǎn)電特 ： ， （）： 性分析 大連：大連理工大學(xué)， 結(jié)語 素的影響，在裝置構(gòu)型確定的情況下， 輸出功率 陽極材料及其面積、陰極電子受體、膜材料及面積和電 極間距等因素影響。 一般而言，電活性微生物活性越 強(qiáng)、陽極底物簡(jiǎn)單且濃度合適、陽極材料導(dǎo)電性能優(yōu)異 且