【正文】 性研究 學(xué) 院： 生物與制藥工程學(xué)院 專 業(yè)： 生物技術(shù) II 新型小球藻生物陰極型 MFC 的基礎(chǔ)特性研究 摘要 隨著全世界范圍內(nèi)能源緊缺和環(huán)境污染問題的加劇，研發(fā)新的環(huán)境友好處理工藝從有機廢水中回收有價能源已經(jīng)成為環(huán)境工程領(lǐng)域一個重要的方向。 能源微藻生物陰極型 微生物燃料電池 因可同時實現(xiàn)污染治理、零碳排放、電能 產(chǎn)生、 CO2 捕捉、生物柴油 及 藻體殘渣等有價回收的多重 功效 ，具有廣闊的應(yīng)用前景。試驗結(jié)果表明陰極投加小球藻后 MFC 的產(chǎn)電水平、陰極溶氧水平、陽極人工廢水的 COD 處理率都有了明顯的提高，最終在陰 極持續(xù)光照期得到最大輸出電壓為，是陰極正常運行期的 倍，最大輸出功率密度為 ㎡， 是正常運行期的 倍，內(nèi)阻為為 ，是正常運行期的 倍，陰極 溶氧的平均水平較穩(wěn)定，大約為， 而陰極正常運行期時 溶氧由初始 ， 陽極人工廢水處理 10d 后的 COD 處理率為 %。 關(guān)鍵詞 :小球藻， 微生物燃料電池（ MFC）， 生物陰極 ，輸出電壓 Basic characteristics research of a novel MFC with Chlorella biocathode Abstract With worldwide energy shortage and environmental pollution increasing, the development of new environmentally friendly wastewater treatment process to recover energy has bee an important field of environmental engineering direction. Microbial fuel cell(MFC) with energy microalgae biocathode can be simultaneously achieved pollution control, zero carbon emissions, power generation, CO2 capture, and algae biodiesel and other valuable residue recycling multiple effects, has broad application prospects. In this paper, the innovative design of their own beneficial to the Growth of the cathode MFC reactor as an experimental model, the first to start its normal operation liquid cathode, anode producing electricity Enrichment be mature, stable power battery production were investigated after the normal cathode run, adding algae into the cathode, the cathode electrode of Pt and the cathode light of this ongoing cycle of four different operating conditions, the MFC producing electricity, the growth of Chlorella and dissolved oxygen conditions in the cathode, and the COD treatment situation of the artificial water in anode . The results show that adding Chlorella into the cathode production after the MFC power level, dissolved oxygen level of the cathode, anode COD artificial wastewater treatment rate had a significant increase and, ultimately, the greatest period of continuous light cathode output voltage is , is times as the normal operation 。 the internal resistance is , is times as the normal operation。 20世紀(jì) 50年代以后石油危機的爆發(fā)，對世界經(jīng)濟造成了巨大影響，國際輿論開始關(guān)注起世界 “ 能源危機 ” 問題。聯(lián)合國環(huán)境署的報告表明，整個地球的環(huán)境正在全面惡化，環(huán)境問題是一個全球性問題。目前國際社會關(guān)注的全球性環(huán)境問題主要包括 :臭氧層破壞、溫室效應(yīng)和氣候變暖、大氣污染和酸雨、生物多樣性減少、放射性物質(zhì)污染、海洋污染和海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞等，尤其是全球氣候變化、酸雨和大氣污染、海洋污染和海洋生態(tài)系統(tǒng)的破壞等重大環(huán)境問題，日益受到世界各國的普遍關(guān)注。隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源和環(huán)境問題日益突出。因此，世界各國在能源的戰(zhàn)略和政策上更加強調(diào)能源與環(huán)境的關(guān)系，更加注意環(huán)境保護的重要性 [2]。將微生物燃料電池應(yīng)用到廢水處理領(lǐng)域，在處理有機廢水的同時獲得電能，是緩解當(dāng)前能源危機和解決環(huán)境問題的有效途徑，也是環(huán)境能源領(lǐng)域的熱點研究課題之一。以有質(zhì)子交換膜的雙室微生物燃料電池為例（如圖 1），它的工作原理 [3,4]是 :在陽極區(qū)，微生物將有機底物氧化，這個過程要伴隨電子和質(zhì)子（ NADH)的釋放 。電子通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移到陰極區(qū)，釋放出來的質(zhì)子透過質(zhì)子交換膜也到達陰極區(qū) 。隨著陽極區(qū)有機物的不斷氧化和陰極反應(yīng)的持續(xù)進行，在外電路獲 得持續(xù)的電流。早在 1964年， Berk等 [6]就開展了微藻型 MFC的研究。但此 MFC的能量利用效率僅為 %，與當(dāng)時傳統(tǒng)的太陽能電池技術(shù)相比還很低，因此相關(guān)研究一度停滯 。 按照微藻在 MFC系統(tǒng)中的作用來劃分，可將微藻型 MFC分為 微藻陽極底物、微藻生物陽極、微藻生物陰極三種類型。微藻是一種單細(xì)胞綠色植物，其生長速度快、占地面積小并且不與農(nóng)作物競爭土地，藻體富含葉綠素、蛋白質(zhì)、碳水化合物、油脂等，少木質(zhì)素和纖維素 [7]。微藻陽極底物利用方式又分為原位利用和異位利用。陳輝等 [8]在沉積型MFC陽極區(qū)中投加未經(jīng)脫水脫毒處理的藍藻，與相同條件下葡萄糖為底物的 MFC相比，此MFC輸出電量有所上升，并獲得了 。 Strik等 [9]將一進行微藻培養(yǎng)的光生物反應(yīng)器與 MFC進行耦聯(lián)產(chǎn)電，可持續(xù)產(chǎn)電 100d，獲得最大電流密度 539mA/m2，最大功率密度 110mW/m2；但該系統(tǒng)庫倫效率僅為 %，分析原因可能是微藻有機體復(fù)雜，不及小分子有機底物更易利用。 微藻生物陽極型 MFC 微藻生物陽極型 MFC是在陽極室中 利用微藻直接產(chǎn)電，或是協(xié)同產(chǎn)電微生物共同產(chǎn)電。間接提供電子方式又包括兩種：一是微藻光合產(chǎn)氫，氫氣再被氧化產(chǎn)生電子；二是利用藻菌協(xié)同培養(yǎng)，微藻光合生長分泌可被細(xì)菌利用的有機物，細(xì)菌再利用有機物產(chǎn)生電子。于是推測電子不僅僅只能來自呼吸電子傳遞鏈或通過 H2氧化產(chǎn)生，還可以通過光合電子傳遞鏈產(chǎn)生 [13]。以上研究均在陽極室添加了電子介體 HNQ(2羥基 1,4萘醌 )，但近年來有報道指出藍藻 Synechocystis sp. PCC 6803存在納米導(dǎo)線，這表明了微藻直接電子傳遞的可能性 [15]。何輝等 [17]考察了小球藻 (Chlorella vulgaris)陽極產(chǎn)電的性能，在無電子介體的條件下輸出功率密度可達 ，對實際污水的COD去除率為 40%；分析電子的產(chǎn)生由兩部分組成，一是小球藻光解水產(chǎn)生，二是細(xì)胞代謝光合作用產(chǎn)生的碳水化合物，由細(xì)胞膜外累積的細(xì)胞色素失去電子給陽極，陽極 反應(yīng)式如下： 光合作用 ： 2222 OOCHOHCO hv ?? ??? (1) 光解水 ： ?? ???? ?? eOHOH 22/12 22 光解 (2) 代謝作用 ： ?? ?????? ??? eHCOOHOCH i s mM i c r o o r g a n 44222 (3) 微藻產(chǎn)氫產(chǎn)電方式 生物制氫是當(dāng)今生物質(zhì)能源利用中的一大研究熱點。目前微藻產(chǎn)氫的最大障礙之一是氫氣的反饋抑制作用，而利用 MFC的電化學(xué)催化作用及時將微藻產(chǎn)生的 H2轉(zhuǎn)化成電能以降低 H2分壓，減少反饋抑制作用，可以提高最終的 H2回收率。 微藻產(chǎn)氫產(chǎn)電方式也可分為原位和異位兩種。 Rosenbaum等 [10]用 Chlamydomonas reinhardtii(萊茵衣藻 )在原位產(chǎn)氫產(chǎn)電 MFC裝置中提高了 H2的回收率，與傳統(tǒng)的體積法收集相比增加了100%；最大電流為 9 mA時對應(yīng)的 H2回收速率為 mL/L總體而言目前將微藻產(chǎn)氫與 MFC產(chǎn)電過程相耦合的研究報道還比較少。近來已有研究表明利用高分子傳導(dǎo)材料可以保 護鉑催化劑的活性 [19]，而更便宜的非貴金屬催化劑碳化鎢則被認(rèn)為更有發(fā)展前景 [20]。 藻菌協(xié)同產(chǎn)電的現(xiàn)象在自然生境中多見。 He等 [21]曾在一個未添加任何有機物或營養(yǎng)物的淡水沉積物MFC中觀察到電流的產(chǎn)生；電流強度在光 照階段下降，在黑暗階段上升，持續(xù)的黑暗培養(yǎng)會導(dǎo)致電流下降；分子分類分析法表明此沉積型 MFC中靠近陰極的沉積表面層多數(shù)為藍藻和其他型微藻，越往下層異養(yǎng)微生物越占優(yōu)勢，且微生物種類越少。 微藻生物陰極 型 MFC 將微藻放置 MFC陰極室培養(yǎng)，光合作用產(chǎn)生的 O2可以加速陰極室的氧化還原速率；同時可吸收利用 MFC陽極室反應(yīng)釋放出的 CO2，或?qū)χ苓叚h(huán)境中的 CO2進行捕捉；若選 擇能源型或經(jīng)濟價值型微藻，還可進行藻體的有價回收，降低 MFC成本，可謂一舉多得。 Powell等 [22,23,24,25]以培養(yǎng)小球藻 (Chlorella vulgaris)的光反應(yīng)器作為 MFC的陰極室進行了系列研究。該 MFC綜合系統(tǒng)可以同時達到收獲電能、生物柴油和 CO2捕捉的三重功效，具有可觀的經(jīng)濟價值。能源的大量消耗同時也帶來了地球氣溫變暖、酸雨增加等各種問題。微生物燃料電池作為一種新能源，其發(fā)電技術(shù)正引起各國科學(xué)家注目并被積極地著手進行優(yōu)化改善。而且微生物燃料電池將污水中可降解有機物的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了污水處理的同時產(chǎn)生新資源的新概念發(fā)展。通過近年來不斷地研究， MFC在實際應(yīng)用的道路上正一步步向前邁進，隨著其效能及成本方面的不斷突破， MFC作為一種新型清潔能源的前景將不可忽視。 能源微藻類生物陰極型 MFC在產(chǎn)電的同時，還可實現(xiàn)污染治理、零碳排放、生物能源獲取等多種功能 ， 因此具有 巨大的 經(jīng)濟和 環(huán)境效益 。 本課題的主要研究內(nèi)容 本文利用自行創(chuàng)新設(shè)計的陰極利于小球藻生長的 MFC反應(yīng)器作為實驗?zāi)Ｐ停紫纫哉ｊ帢O液對其進行啟動運行，待陽極產(chǎn)電菌富集成熟，電池產(chǎn)電穩(wěn)定以后分別考 察了陰極正常運行期、陰極加藻期、陰極換載鉑電極期、陰極持續(xù)光照期這四個不同周期運行條件下該 MFC的產(chǎn)電情況、陰極小球藻的生長情況、陰極溶氧情況及陽極人工廢水的 COD處理情況，為能源微藻生物陰極型 MFC的研究提供基礎(chǔ)科學(xué)數(shù)據(jù)。2H2O 分析純 AR 汕頭市西隴化工有限公司 NaCl 分析純 AR 汕頭西隴化工股份有限公司 NaNO3 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司 磷酸氫二鉀 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 硫酸鎂 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司 檸檬酸 分析純 AR 汕頭市西隴化工廠有限公司 乙二胺四乙酸二鈉 分析純 AR 國藥集團化學(xué)試劑有限公司 南京工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 8 Na2CO3 分析純 AR 上海凌峰化學(xué)試劑有限公司 主要儀器 表 22 實驗主要儀器列表 Table22 The main instruments used in the experiments 名稱 生產(chǎn)廠家 電熱恒溫鼓風(fēng)干