英科學家發明基于微生物燃料電池的電絮凝工藝

時間：2019-04-09 11:02:36 來源：IWA國際水協會 作者：

MFC的組裝與運行

電凝法的氫氧根沉淀與MFC運行原理相結合是英國研究團隊的核心。研究團隊設計的MFC由赤陶做成，高10cm，內直徑3.6cm。如下圖所示，陽極在外，陰極在內，陰極電解液可以生成保存在內部的中空陰極室。外圍的陽極材料是碳纖維面紗，碳密度為20g/， 總表面積為2430c。陰極由內置的活性炭和氣體擴散層組成，后者的材質是30%的PTFE碳纖維面紗基層。陰極電極的表面積為90c，活性炭面向赤陶壁，氣體擴散層面向空氣。

三個平行的MFC裝置分別置于210mL的塑料容器里，用活性污泥接種，之后補加一些污泥和0.1M的醋酸鈉（pH=7）的混合物作為額外碳源。系統搭建完成后，他們進行了序批式實驗來評估反應速率。電阻器的電阻為100U。

在第二階段他們更換原料，改為純凈的人尿作底物。研究團隊從健康人體匿名收集尿液，匯集并在室溫下存儲到一個收集桶里，直接作為MFC的進料。尿液的pH為8.6-9.4。

高10cm，內直徑3.6cm的赤陶材質MFC

實驗內容

研究團隊使用Agilent的數據采集器（DAQ）記錄電壓，從而算出電流和功率值。另外也測量污水和生成的陰極電解液pH值和電導率。極化實驗使用的電阻值在30kU -11U之間，使用自動變頻的電阻器每3分鐘變化一次，每30秒記錄一次數據。

MFC生成的陰極電解液作為異位沉淀劑，用于不同的金屬/鹽溶液，例如氯化鐵，硫酸銅和氯化鋅。具體操作是將0.1g目標鹽樣品溶于玻璃通用瓶中，里邊分別裝有20mL經測試的陰極電解液和去離子水（對照）。

極化實驗的結果如下圖所示：測試的三個反應器的實際發電功率都超過1mW，而MFC1、MFC2、MFC3最大值分別為1.47mW、1.37 mW和1.71 mW。間隔30秒的采樣頻率下得到的功率曲線波動顯示了試驗期間MFC的真實運行情況，也是電阻器運行得到的結果因為在施加電阻的時候，MFC的運行需要一個穩定器。

三個MFC的極化實驗結果

極化實驗之后，他們用乙酸/廢水作為進料，進行了為期31天的固定負荷的序批式運行。

三個MFC的功率在31天固定負荷下的性能曲線

由于是分批進料操作，功率性能在每次進料循環中會隨時間減小，但每當有新料補充后，功率水平就得以恢復。值得注意的是，MFC的實時性能（平均約1.2 mW）與極化實驗期間記錄的功率輸出水平相當。

陰極電極形態變化

在運行期間，研究團隊觀察到澄清液體的形成，并將其收集到內室中，而且這些液體的積累能改善反應性能。陰極電解液的形成機理與電滲阻力和被動擴散作用有關，而且系統產出的功率越大，陰極室里就可以產生越多的陰極電解液。這種電滲流的優點在于其運輸方式是在微流體回路中運輸分析物的有用手段，似乎也適合這種赤陶材料搭建的MFC反應器。

陰極電極形態觀察結果：（a）活性炭層的照片;（b）400x放大倍數下的活性炭層的電子顯微圖像;（c）在（15,152x）高放大率下活性談的ESEM圖像;（d）靠近空氣一側的氣體擴散層的照片;（e）400x放大倍數下的氣體擴散層的電子顯微圖像;（f）960x放大倍數的的氣體擴散層。

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