微生物燃料电池系统阴极阳极协同强化降解硝基酚效能研究(2)
1.1.1 微生物燃料电池工作原理 在厌氧环境下，有机化合物在阳极室中通过微生物的代谢作用下分解并释放出质子和电子，电子凭借特定的电子传递介体在阳极和生物组分之间进行有效传递，再通过外电路传递到阴极中去，而质子则通过质子交换膜从阳极传递到阴极，这样就可以形成一个完整的电流回路[5]。本实验中，生物阴极中以对硝基酚作为电子受体发生还原反应，而在阳极中以对氨基酚为电子供体发生氧化反应。
1.1.2微生物燃料电池结构 微生物燃料电池主要有三个部分组成：阳极，阴极，膜。阳极是决定 MFC 产电能力的重要因素，在 MFC 中起着微生物附着并传递电子的作用，它同时也是微生物氧化分解有机化合物进行自身代谢作用的场所[6]，所以选用性能好的阳极材料是十分必要的。阳极材料最好选用电导率高，制造容易，生物相容性好，无腐蚀性的材料，当然价格低廉也是相当的关键。目前，阳极材料中使用较多的有碳布，石墨等。其中石墨电极因为具有高电导率和相对准确的表面积的优点，因而常常被用于微生物燃料电池中[7]。 膜对微生物燃料电池的产电性能影响也很大，这其中质子交换膜（PEM）的使用量是最大的。在双室MFC 中，它能够将阳极室和阴极室隔离开，防止阴阳两极溶液混合，却可以让阳极室内产生的质子从阳极液扩散到阴极中，从而形成一个完整的回路。质子交换膜的特性是只允许质子从阳极通过扩散作用转移到阴极，而绝对不允许其他物质通过，这样就可减少底物从阳极向阴极的转移及氧气从阴极向阳极的转移，从而提高了电池的库仑效率。但是，质子交换膜材料的价格一般比较昂贵，这一方面会提高微生物燃料电池的成本，另一方面也会增加微生物燃料电池的内阻，这也就意着降低了电池的输出功率[8]。 阴极是限制MFC 产电能力的主要原因之一。阴极的设计也决定了实验的方向，目前的阴极主要有空气阴极，化学阴极和生物阴极三种电极。其中生物阴极相对于其它两种，产电效率更高，也更加环保。含铂的碳纸是最常用的阴极材料。其次是过渡金属碳电极，它的优势在于可以大大减少贵金属的使用量。
1.1.3 微生物燃料电池的应用 （1） 废水利用 微生物燃料电池一方面可以将废水中的有机污染物转化成电能，另一方面又可以处理废水，是一种很有研究价值的废水处理方法。研究发现，在建立了双室MFC 体系中，以苯酚为电子受体，测定 MFC 对苯酚的降解率，并将其与传统的厌氧消化处理作对比，从中可以发现MFC 对苯酚的降解率比传统厌氧处理效率提高了 26％。 （2）发电 MFC 可以将葡萄糖中的氢直接全部分解转化成水，生物能转化成电能的效率也较高，目前国内外的研究者大多都在研究 MFC 的电性能，想方设法去提高 MFC 的产电性能。Liu 等人以碳纸为阳极材料、载铂碳布为阴极材料，构筑单池型微生物燃料电池并测定其性能，通过调整各种操作参数和电池结构，最后可以使电池的最大输出功率密度达到 1330mW•m-2。
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