阴极液组分对秸秆水解液产电性能的影响

王美聪 王紫诺 张学军(沈阳化工大学，辽宁 沈阳 110142)

0 引言

我国是秸秆大国，其中玉米秸秆年产量2.2亿吨[1]。每年都有大量秸秆遭到焚烧，因此如何开发利用玉米秸秆，实现玉米秸秆的生态高值利用，将其变废为宝至关重要。微生物燃料电池(MFC)是一种新兴的绿色可再生能源，能解决能源短缺与环境保护的重要技术[2]。将二者结合以此得到环保和经济的双收益显得尤为重要。因此本文探讨以秸秆水解液为阳极液时，哪种组分的阴极液能尽可能的提高其产电性能。

1 实验材料与方法

1.1 阳极液的配制

在实验开始前配置浓度1%的稀硫酸备用；将烘干好的玉米秸秆粉碎，并筛分20～40目的粒度以供使用；选择液固比为15:1，将玉米秸秆颗粒溶于配制好的稀硫酸内，搅拌溶解后将放于80℃水浴锅中反应2h，获得酸性物质；再用1%NaOH溶液进行中和，获得质量分数为15g/L玉米秸秆水解液，其pH值范围在7.0～7.2。

阳极液是秸秆水解液和微生物驯化液的混合液，产电微生物是实验组之前用的活性污泥，阳极液的 pH值调节范围为7.0～7.2。

1.2 阴极液的配制

三组实验的阴极液分别是25mM铁氰化钾溶液、1:1的25mM铁氰化钾与0.1mol/L氯化钠混合溶液、0.1mol/L氯化钠溶液。

1.3 MFC系统构建

采用双室型MFC，以活性污泥为菌种，连通电路后电池正式开始运行，在电脑端用数据采集卡记录电压情况，外接电阻为100Ω。实验中为室温。

1.4 MFC的测量方法

实验平稳运行后，采用外阻递减法[3]测量MFC的极化曲线。首先将外电路断开开始记录OCV，然后依次调节电阻箱的阻值(9000～100Ω)，记录下随电阻变化的电压值，每组数据的稳定时间为20分钟左右。通过电化学工作站测得阻抗谱图。

极化曲线是电流密度与电压形成的曲线。通过拟合极化曲线获得曲线方程，方程的斜率即为内阻。功率密度的计算公式是：P=U2/RA，其中A为阳极的有效面积。内阻的计算公式是：PMax=E2/4r(P为功率，E为电势，r为电池内阻)。

2 结果与讨论

2.1 不同浓度的阳极液的MFC产电量

阴极液对微生物燃料电池的性能有较大影响[4]，如图1，在2000min左右电池启动结束，2000min至4450min之间，阴极液为铁氰化钾溶液时产电量最大为38mV，与其自身快速接受电子的能力有关。但在4450min后，以铁氰化钾和氯化钠混合溶液为阴极液时，其产电量最大为42mV，说明氯化钠溶液的良好导电性结合铁氰化钾溶液较强的电子接受能力，使产电效果更好。以氯化钠为阴极液时最大电压为14mV，其产电效果较差，分析可能的原因：浓度过小，使其导电性较低。7000min后产电量均呈下降趋势。

图1 不同阴极液的MFC输出电压

2.2 MFC功率密度及内阻分析

如图2不同阴极液组分的秸秆水解液MFC的功率密度有明显的差异。当阴极液组分为氯化钠溶液时最大功率密度为0.002W/m2，电流密度为0.018A/m2；当阴极液组分为混合溶液时最大功率密度为0.013W/m2，电流密度为0.058A/m2，可知其产电量最大，但影响功率密度的因素较为复杂，其中受到内阻的影响也较大，可能因其生物膜较厚，不易电子传递，导致内阻增加。从而使功率密度下降[5]。当阴极液组分为铁氰化钾溶液时最大功率密度为0.023W/m2，电流密度为0.077A/m2。由此可看出当阴极液为铁氰化钾溶液时MFC功率密度较大。

图2 不同阴极液组分的MFC功率密度

如图3根据全电路 Ohm 定律可知：电池的内阻是直线的斜率绝对值。阴极液组分为氯化钠溶液、氯化钠与铁氰化钾混合溶液、铁氰化钾溶液时，内阻分别为5.4762Ω、3.1409Ω、2.7248Ω。这也说明，内阻和功率密度大小是呈正比的，内阻大小影响着产电效果，内阻的减小有助于产电性能的提升。而铁氰化钾在电极表面反应可逆性好，反应速率快，与铁氰化钾可以加快传质过程，降低活化能等有关[6]。

图3 不同阴极液组分的MFC极化曲线

3 结论

(1)阴极液为氯化钠和铁氰化钾混合溶液时，，产电量最大，为42mv；阴极液为铁氰化钾溶液时，最大功率密度为0.023W/m2，电流密度为0.077A/m2。内阻最小，为2.7248Ω。

(2)影响功率密度的因素较为复杂，降低内阻可以提高产电性能。