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微生物燃料电池(MFCs,Microbial fuel cells)是一种可以实现污染物去除和同步产电的生物反应器。该技术由于环境友好、原料丰富,绿色产能而在污水处理领域广受关注,但其实际应用却受到产电量低,反应器放大研究不成熟以及构建成本高等问题的限制。因此,本研究分别从MFCs的放大和降低成本两个方面入手。一方面,研究和评估新型MFCs电池组对糖蜜废水的处理能力,同步产电能力及电力放大效果;另一方面,研制新型阴极催化剂取代贵金属铂来降低构建成本,并通过物理表征、电化学测试及MFC实验检测新型电极性能。
在实验室已有研究基础上,采用厌氧折流板堆栈式MFCs(四单元U1,U2,U3,U4)处理糖蜜废水,启动阶段四单元最大开路电压为300～370 mV。反应器的废水COD总去除率(50％～70%)和进水有机负荷(OLR,1.55～6.00 kg COD/m3.d)负相关;COD去除主体随着进水OLR的增加在单元间由U1向U4推移;GC/MS分析表明出水中主要物质为长链烷烃类。产电方面,反应器总平均功率密度随进水OLR的增加先上升25.4%后下降35.9%,最大平均功率密度为115.5±2.7 mW/m2(OLR=3.20 kg COD/m3.d),四个单元中Ul的产电最高达151.95 mW/m2(OLR=3.20 kg COD/m3.d),各单元输出功率密度与内阻符合负相关关系。
为了检测MFCs的电力放大效果,将四个单元进行串并联连接,并联后总内阻降低至45.1±5.0Ω,电流增大至3.29 mA,串联后电压增大至1.25±0.02 V,串联总电压损失比例为8.1%,不同连接方式的最大功率密度均在100～120 mW/m2内。实际废水的复杂性使得反应器对其处理能力和产电能力均低于葡萄糖配水,但该构型反应器在实际工程应用中仍具有电压损失小,易于放大等优势。
为了降低MFCs构建成本,采用水热法制备Pt-Ni/C、Pt-Co/C、Pt-Fe/C合金阴极和Pt/C阴极,SEM观察表明纳米级别的铂粒子和铂合金粒子均在载体碳上呈均匀分布;XRD分析表明合金催化剂的主要衍射峰和纯铂基本一致,合金和纯铂一样具有面心立方结构,同时合金的形成使得衍射角向高角度微量偏移,循环伏安测试表明各催化剂的催化氧的还原能力顺序为Pt-Fe/C＞Pt-Co/C＞Pt-Ni/C＞Pt。
将不同阴极用于双室MFC处理葡萄糖配水和糖蜜废水,结果表明对于两种废水来说,合金催化剂在催化电极反应方面效果均优于纯铂催化剂,可初步认为是由于活化损失降低引起内阻减小,功率密度增大,其中,装备Pt-Fe/C阴极的MFC产电效果最好,最大功率密度可分别达133.4 mW/m2(葡萄糖溶液基质)和92.4mW/m2(糖蜜废水基质)。因此,合金催化剂降低总成本的同时也提高了阴极性能,是MFCs阴极催化剂研究的可行方向。