组分及预处理方式对生物质电池发电的影响

• 作 者: 李生雁
• 出 处: 北京林业大学
• 发表日期: 2020年04期
• 关键词: 燃料电池 木质纤维素类生物质 组分 氯化锌

生物质是大自然赋予我们的天然宝藏,生物质中含有的能量被称为生物质能,作为一种清洁能源,它已经成为可持续发展的替代能源之一。木质纤维素类生物质来源广泛,例如树木和农作物包括玉米芯、薏米秸秆等,主要成分为纤维素、木质素和半纤维素等,将木质纤维素类生物质转化为能源可以缓解如今的能源和环境危机。其中生物质直接发电是生物质能源利用的一种重要形式,对其进行研究具有重要意义。本文构建了直接空气阴极燃料电池,以木质纤维素类生物质为原料,将其中的化学能通过电池直接转化为电能,并探讨了预处理条件包括物理处理和化学处理以及组分含量对生物质直接发电的影响。以薏米秸秆为原料,将原料颗粒度控制在五个范围:小于100目、80-100目、60-80目、40-60目、大于40目,在5MNaOH、0.02M甲基紫精(MV)的电池环境中测试其电化学性能,发现原料颗粒度越小,电池发电性能越好。其原因为原料颗粒度越小,纤维素受到的机械磨碎作用越大,结晶度越低,溶解和参与反应的能力都有所提升。此外,研究发现紫外光照预处理有助于激发燃料电池的发电潜能,对分子氧有光催化作用,使纤维素产生游离基参与氧化作用,并提高电荷的分离效率并加快电荷在溶液和电极表面的转移速度,最终表现为燃料电池的电化学性能优异。研究发现,不同的生物质原料,直接发电的电化学性能不同,薏米秸秆和竹子为原料的燃料电池发电性能优于玉米芯、桂花叶、杨木为原料的燃料电池。选用竹子为原料,在纤维素和半纤维素含量一定的条件下,当木素含量从27.90%降到8.87%时,在5MNaOH、0.02MMV的电池环境中,其极限电流密度和最大功率密度都提高到近2.5倍,薏米秸秆为燃料时也有类似的结果,表明生物质中木素含量越低越有利于其发电。在竹子纤维素和木素含量一定的情况下,当半纤维素含量从17.48%降到6.48%时,电池的极限电流密度和最大功率密度都降低了近50%,薏米秸秆为燃料时也有类似的结果,表明生物质中半纤维素含量越高越有利于其发电。论文还探究了溶剂对薏米秸秆发电性能的影响,结果表明在1 0wt%LiCl/DMAC、5MNaOH、7wt%NaOH/12wt%Urea、65wt%ZnC l2 四种溶剂体系中,65wt%ZnCl2 体系下薏米秸秆的发电性能最好,并且随着MV浓度的增加,电化学性能也相应提高,当MV浓度达到0.08M时,电池的开路电压达到556mV,极限电流密度为26200mA/cm2,产生最大功率密度为2830mW/cm2,高出以纤维素为底物来发电的微生物燃料电池近40倍,大大提高产电性能。