文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123573
微生物燃料电池阳极生物膜传质模拟
姚森,何雅玲*基金项目:本文得到NSFC-广东联合基金重点项目()及教育部高等学校博士学科点专项科研基金(201**********)的资助。
,席奂
(西安交通大学能源与动力工程学院,热流科学与工程教育部重点实验室,陕西西安,710049)
(Tel:029-82665930, Email: ******@.)
摘要微生物燃料电池对阳极溶液中可溶性有机物的氧化降解是通过附着在电极上的生物膜进行的。本文建立了微生物燃料电池阳极生物膜一维数学模型,采用有限容积法对控制方程进行离散,对组分方程和电势方程进行耦合求解,计算了微生物膜内的底物浓度分布、局部电势以及电子的生成速率,研究了生物膜的孔隙率、弯曲因子、液相主体浓度和电导率对产电性能的影响。计算结果表明孔隙的存在可以增加生物膜内部的电子生成速率;弯曲因子对生物膜的产电性能影响不大;底物主体浓度较低时,底物浓度是限制电子产生的主要因素,随着底物主体浓度的升高,电导率是限制微生物电子生成的主要因素,提高电导率可以改善生物膜上的电子产生速率。高电导率不仅降低了生物膜内电子传递的阻力,而且也间接的提高了靠近液相主体的生物膜区域的电子生成速率。
关键词微生物燃料电池;生物膜;传质
0 前言
微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)作为一种新型的能量回收以及污水处理的方式,可利用微生物对污水中的可溶性有机物进行氧化分解,并将其化学能转化为电能,因而得到了人们的广泛关注。与传统的燃料电池相比,MFC阳极不需要贵重金属作为催化剂,微生物自身即为氧化有机物所需的催化剂。此外,微生物种群可实现在不同环境下的自我调节,维持种群的稳定性,因此根据其自身的耐受程度可在多种温度范围和多种复杂环境中生存,并通过生物代谢对大量污染物进行处理,具有较为广泛的适用性。
非生物燃料电池如直接甲醇式燃料电池中,催化层中的甲醇在催化剂的作用下发生电化学氧化反应产出电子[1,2]。而在MFC中,电子是由附着在阳极上的微生物代谢提供的。微生物附着在阳极表面时会形成一层产电生物膜,这些附着的微生物将电极作为电子受体进行代谢活动。当微生物在电极表面生长并形成生物膜时,随着膜厚度的增加,底物的消耗速率会超过扩散速率,此时底物的传质过程成为限制功率产生的主要因素。因此,通过研究阳极表面生物膜的传质现象,可以改善生物膜内部的传质过程,并提高电池的整体性能。Marcus等[3]人通过建立一维扩散-反应动力学模型阐述了电子由底物氧化生成后传递到电极的过程,并且指出电导率是影响电流的主要因素。生物膜是由细胞实体和孔隙组成,根据微生物生长环境的不同,其孔隙率最高可达90%以上,而上述模型并未考虑生物膜内的孔隙率等结构参数。
本文通过建立阳极生物膜的一维稳态数学模型,对孔隙率、弯曲因子两种结构参数以及底物主体浓度、生物膜整体电导率对生物膜内传质的影响进行了分析,所获得的结果既可以用来对了解各参数对膜内传质的影响,也可以对电池阳极的性能进行预测,同时对电池的设计优化提供指导意义。
1模型建立
生物膜的结构非常复杂,需要对生物膜进行合理简化,因而做出以下假设:
(1)生物膜内