文档介绍：表面改性碳纳米管粉体在微生物燃料电池中的应用
    王慧勇1,2, 梁 鹏1, 黄 霞1
    ( 1. 清华大学 环境学院环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100084; 2. 河北工程大学 水电学院,河北 邯郸 056021)
    摘 要: 微生物燃料电池( MFC) 是一种集产电和污水净化为一体的新型水处理技术,但产电性能低限制了 MFC 的推广应用。为了提高 MFC 的产电性能,在阳极室投加表面改性的碳纳米管( CNTs) 粉体,以加速阳极产电生物膜的形成,同时提高整个生物膜的产电能力。Ts 粉体后,MFC 运行仅 4 h 其输出电压即升至 400 mV; Ts 粉体,得到了 MFC 的最大产电功率密度为( 236 ±5) mW/m2,相对于对照组则提高了约 40%。氨基的引入是启动时间缩短的主要原因,而阳极内阻的降低是产电功率密度得以提高的主要原因。
    关键词: 微生物燃料电池; 碳纳米管粉体; 表面改性; 启动时间; 产电能力
    中图分类号: TM911. 45   文献标识码: A   文章编号: 1000 -4602( 2011) 11 -0037 -04
    微生物燃料电池( MFC) 是一种集产电和污水净化为一体的新型水处理技术,但产电性能低限制了其实用化。MFC 的阳极是微生物附着并产生电子的部位,阳极材料及其结构直接影响着底物氧化、电子产生和电子传递过程,是制约 MFC 产电性能的关键因素[1]。目前常规阳极材料主要是碳,包括碳纸、碳棒、碳毡、碳颗粒、碳布、网状玻璃碳等,由于廉价易得、比表面积较大、生物相容性好,故被广泛使用,然而它们对阳极微生物反应的电催化活性却较低[2]。因此,碳材料的改性和新型阳极材料的开发,是提高 MFC 产电性能的关键之一。
    目前利用碳材料改性技术来增加 MFC 的产电性能已经取得了一定的成效[3],在新型阳极材料的使用 方 面 也 取 得 了 很 大 进 步[4 ~6]。碳 纳 米 管( CNTs) 作为一种新型的碳材料正逐渐被应用到MFC 中。例如,Qiao 等[7]将碳纳米管和聚苯胺粘合在一起作为阳极材料,其累积吸附表面积由原来( 单纯聚苯胺电极) 的34. 1 m2/ g 增加到 50. 2 m2/ g,同时还降低了阳极表面的初始电势,增强了电子的转移能力。梁鹏等[8]Ts 压制成片状电极作为MFC 阳极,比用碳粉末压制的阳极产电能力提高20% 左右。Sharma 等[9]Ts 扩散到碳纸上制成的电极应用于 MFC 中,其产电功率较平板石墨电极的提高了 6. 4 倍。
    笔者首先分别利用浓硫酸 - 浓硝酸、Ts 粉体进行预处理,使其表面带上基团,Ts 粉体投入 MFC 的阳极室,Ts粉体与产电菌充分混合接触,自然附集于阳极上。从 MFC 启动时间、产电功率密度、Ts 粉体对提高 MFC 产电性能的效果。
    1材料与方法
    1. 1 MFC 装置
    试验采用两室型 MFC。阳极室和阴极室由有机玻璃制成,有效容积为27 cm3,正上方有一直径为2 cm 的孔。阳极和阴极材料均为柔性石墨( 厚度为0. 5 cm) ,有效面积为 9 cm2。为保证厌氧环境将阳极室用橡胶塞密封,并在橡胶塞上放置饱和甘汞参比电极。阳极