[发明专利]一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化非缓冲微生物燃料电池(BLMFC)产电性能的方法，属于环境生物技术领域。

背景技术

微生物燃料电池(MFC)在降解有机物的同时回收电能，是一种极具发展潜力的污水处理技术。因此，MFC体系的相关研究自然成为了一直以来环境领域的研究热点。目前，实验室小型MFC系统运行过程中，一般需要加入PBS缓冲液或NaHCO₃溶液，用以维持一定的离子强度和pH值，保障体系高效且稳定的运行。然而，未来MFC在污水处理领域的大规模应用将需要在无缓冲条件下进行，因为添加缓冲盐会显著增大运行成本，且可能造成出水富营养化等环境问题。非缓冲MFC(Buffer-less MFC，BLMFC)体系中，阳极表面不断产生并积累质子(H⁺)，出现阳极液酸化现象，严重限制产电微生物的生长和活性。因此，欲进一步提高 BLMFC体系产电能力，使其更具实用价值，解决阳极液酸化问题是关键。

近年来，研究者们针对阳极液酸化现象初步尝试了一些应对之策。例如，在双室MFC中以NH₄⁺为“质子中介体”。NH₄⁺在阴极表面经过生物产氢过程失去H⁺形成游离NH₃，且当阴极液pH值>9.25时，以NH₃气逸出，随后在外部氨循环装置中与酸性阳极液接触重新结合 H⁺，形成NH₄⁺并进入阳极液，完成循环。通过NH₄⁺→NH₃→NH₄⁺的循环将阳极液控制在7.0 左右。与阳极液酸化条件(pH 5.5)相比，装置的电流由10mA增大到110mA，效果显著。然而，该法的实施需要体系中存在至少60mM的NH₄⁺，且操作较复杂，除高氨氮废水外，不适用于其他废水的大规模处理。电解液循环运行模式(Loop-mode)是另一种解决空气阴极MFC 体系阳极酸化问题的策略。即将阳极液出水与阴极液混合，一方面将阳极液中积累的H⁺移出，避免对阳极微生物的生长和活性产生抑制，另一方面加快了H⁺向阴极表面的转移，加速阴极表面ORR反应，改善阴极性能，从而提高MFC的产电能力。然而，阳极液循环过程中很容易将O₂带入阳极区，使得体系的功率密度提高不明显。

空气阴极MFC体系的总电池反应积累HCO₃^-和H₂CO₃(CO₂溶解)。HCO₃^-可以与阳极液中的H⁺结合变为H₂CO₃，而H₂CO₃又可以在阴极附近失去质子转化为HCO₃^-，因此它们可以充当“自生缓冲剂”，参与调节阳极液的pH值。但是，在单一运行周期内，HCO₃^-是随着阳极反应的发生逐渐的积累，因此浓度较低，缓冲能力有限。本发明提出通过将BLMFC出水进行回用的方式，提高HCO₃^-在阳极液中的积累浓度，从而提高非缓冲阳极液的自缓冲能力，彻底消除阳极酸化现象，最终显著提高BLMFC体系的产电稳定性和功率密度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强化BLMFC产电性能的方法。

本发明的目的可通过将一定比例的BLMFC出水重新加入到BLMFC装置中与进水混合作为阳极液来实现。

本发明的具体步骤如下：

(1)BLMFC的启动：以导电碳材料(碳纤维刷，石墨毡，碳布等)为阳极，以空气阴极(活性碳空气阴极或Pt/C修饰阴极)为阴极。以含有1g/L乙酸钠的磷酸盐缓冲液(PBS,50mM)为阳极液，采用厌氧污泥进行接种，外接电阻(500Ω或1000Ω)直到体系输出电压高于100mV 即为启动成功。