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                《廈門理工學院學報》  2020年第5期 16-20   出版日期:2020-10-30   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
                納米Al2O3介導的固定化小球藻燃料電池產電性能分析


                近年來,社會經濟快速發展,能源危機日益加劇,環境污染愈發嚴重。微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFCs)技術通過產電微生物代謝,將污染物蘊含的化學能轉化成電能,在環境修復領域受到越來越廣泛的關注[12]。微藻應用于MFCs陰極,通過光合作用固定二氧化碳,產生的氧氣可以充當電子受體,提高污染物資源化程度[34]。 微藻固定化技術實現了藻細胞高密度培養,增強了其抗逆性,提高了微藻MFCs產電和廢水處理能力[56]。然而,以海藻酸鈉和殼聚糖等為代表的固定化材料制備的微藻膠球傳質性能較差,限制了膠球中微藻的生長和水中污染物的去除[78]。納米Al2O3具有較大的比表面積和良好的生物相容性,應用于固定化紅平紅球菌膠球制備,提高了膠球的傳質性能,促進了紅平紅球菌膠球對苯酚的降解[9]。目前,尚未見納米Al2O3應用于微藻固定化陰極MFCs產電和污水處理性能的相關研究。本研究通過向海藻酸鈉制備的小球藻膠球添加納米Al2O3,制得納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻膠球,并考察陰極接種該膠球的MFCs產電性能及影響因素,為促進其在廢水資源化領域的應用提供理論基礎。 1材料與方法 11電極微生物及其培養 陰極小球藻(Chlorella vulgaris)購自海南源泉生物科技有限公司,培養采用BG11液體培養基[10],培養溫度為28 ℃,光照強度設置為3 000 lx,光照黑暗時間比為16 h∶8 h。 陽極接種活性污泥取自廈門市某污水處理廠二沉池,培養基為人工廢水[3]。 12納米Al2O3介導的固定化小球藻膠球的制備 將015 g納米Al2O3加入30 mL質量分數為16%海藻酸鈉溶液中,攪拌均勻冷卻至室溫后加入1 mL細胞密度為30×106個·mL-1濃縮藻液,混合均勻后用注射器逐滴滴入30 mL質量分數為1%的無菌CaCl2溶液中交聯30 min,制得納米Al2O3介導的固定化小球藻膠球,膠球無菌水洗滌兩次后加入BG11培養基于4 °C冰箱保存[11]。 13MFCs裝置 構建有機玻璃制成的雙室MFCs,陽極室和陰極室體積均為100 mL,兩極室之間采用質子交換膜隔開。陰極和陽極面積均為9 cm2(3 cm×3 cm)碳氈,并用鈦絲(直徑為1 mm)引出,外接1 kΩ的外電阻。反應裝置如圖1所示。 廈門理工學院學報2020年 第5期吳義誠,等:納米Al2O3介導的固定化小球藻燃料電池產電性能分析 圖1反應裝置示意圖 Fig1Schematic diagram of the reaction device 14極化曲線繪制 MFCs輸出電壓采用PSDAQ數據采集器每隔5 min采集一次,將外電阻依次調節至10 000、5 100、2 000、1 000、510、330、200、100和51 Ω,分別測定不同電阻下穩定輸出電壓,電流密度J=U/(RA),功率P=UI。其中U為外載電壓,J為電流密度,R為電阻,A為陽極板面積,P為功率 [12]。經計算得出相應的電流密度以及功率密度,繪制極化曲線,則最大功率密度對應的外電阻為MFCs內阻。 2結果與討論 21納米Al2O3介導的固定化小球藻陰極MFCs的產電性能 圖2聯合固定化膠球表面掃描電鏡照片 Fig2Scanning electron microscope graph of joint immobilization bead加入納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化膠球表面的掃描電鏡照片見圖2。 由圖2可見,沒有納米Al2O3分布的膠球孔道表面平滑,有納米Al2O3分布的膠球孔道表面粗糙。膠球比表面積測定結果表明:納米Al2O3的加入,膠球比表面積由264 m2·g-1提高到357 m2·g-1。膠球比表面積的提高,膠球內微藻能夠更容易獲得溶液中的氮、磷等營養物質,促進膠球內小球藻生長和代謝的同時,提高水中污染物的去除效率[13]。 MFCs陰極分別接種海藻酸鈉固定化小球藻和納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻,在外接電阻為1 kΩ條件下輸出電壓如圖3所示。 圖3光暗條件下固定化微藻陰極MFCs的電壓變化 Fig3Voltage curve of immobilized microalgae biocathode MFCs under light and dark conditions 由圖3可知,黑暗(0 lx)條件下納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs的穩定輸出電為0064 V,對照藻酸鈉固定化小球藻陰極MFCs輸出電壓為0051 V;加光(2 000 lx)后MFCs的輸出電壓均有明顯的提高,納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs輸出電壓穩定在0173 V,而對照藻酸鈉固定化小球藻陰極MFCs輸出電壓穩定在0113 V,說明納米Al2O3的加入改善了海藻酸鈉固定化小球藻陰極MFCs的產電性能。 22不同因素對聯合固定化小球藻陰極MFCs產電性能的影響 影響納米Al2O3介導的固定化小球藻MFCs產電性能的主要因素有光照條件、膠球投入量以及膠球粒徑。將MFCs陽極接種活性污泥,以人工廢水為燃料,陰極接種納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻,電池電壓穩定輸出后,分別研究這些因素對MFCs輸出電壓的影響。 221光照 圖4光暗條件下固定化微藻生物陰極MFCs極化曲線 Fig4Polarization curve of immobilized microalgae biocathode MFCs under light and dark conditions 為了考察光照對納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs性能的影響,測定其光暗(0, 2 000 lx)條件下MFCs極化曲線,結果如圖4所示。 圖4中,黑暗條件下MFCs的最大功率密度為732 mW·m-2,內阻為1 kΩ(第4個測試電阻阻值);光照條件下最大功率密度提高到3568 mW·m-2,內阻降低到510 Ω(第5個測試電阻阻值)。結果表明光照降低了納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs內阻,提高了產電性能。 222膠球加入量 聯合固定化膠球分別投入100、400和700粒,MFCs運行均為450 min,輸出電壓隨時間變化如圖5所示。 圖5膠球投加量對MFCs輸出電壓影響 Fig5Effect of joint immobilization bead number on voltage output of MFCs圖6不同粒徑下MFCs電壓的時間變化曲線 Fig6Timevarying curve of MFCs voltage under different particle sizes 由圖5可知,當納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻膠球加入量分別為100和400粒,MFCs運行230 min時輸出電壓分別穩定于0108和0195 V;加入量為700粒時,MFCs運行300 min后輸出電壓高于加入100和400粒的情況,之后輸出電壓增長放緩但未達到穩定,450 min時的輸出電壓為0247 V?赡艿脑蚴悄z球數量的增多增加了光合作用的微藻數量,進而提高了陰極室光合作用的氧氣生成量,但是膠球數目過高,由于膠球遮光效應將更加明顯,進而會影響微藻光合作用產生氧氣。 223膠球粒徑 不同膠球粒徑(2、5和7 mm)對MFCs性能影響如圖6所示。 由圖6可見,粒徑越小,電池的輸出電壓越大。MFCs陰極接種膠球粒徑為2 mm時,輸出電壓穩定在0242 V左右;膠球粒徑增加到5 mm時,MFCs穩定運行后輸出電壓降至0166 V;膠球粒徑增加到7 mm時,MFCs穩定輸出電壓僅為0141 V。膠球的粒徑增大能夠降低膠球的比表面積,影響膠球中的微藻與溶液中物質接觸,限制了膠球內部小球藻細胞照光,進而影響了納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs產電。 3結論 采用納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化制備小球藻膠球,并接種于MFCs陰極室,考察了光照、膠球加入量和膠球粒徑對固定化微藻陰極MFCs產電性能的影響。研究表明,加入納米Al2O3能提高海藻酸鈉固定化小球藻膠球的比表面積,使固定化小球藻陰極MFCs輸出電壓由0113 V提高到0173 V;光照能提高納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs性能,電池的內阻由1 kΩ降低到510 Ω;增加膠球的數量,提高了陰極微藻數量,能促進MFCs產電;小粒徑膠球能增加膠球比表面積,增加膠球內部小球藻細胞光照,進而增加納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻陰極MFCs產電。 本文制備的納米Al2O3海藻酸鈉聯合固定化小球藻能提高電池的產電性能,促進該技術在廢水脫氮除磷等領域的應用。未來需進一步優化固定化膠球制備工藝,降低膠球制備成本,固定化微藻陰極MFCs在廢水資源化領域應用將更加廣泛。
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