English

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  本研究以秸秆水解液为微生物燃料电池的阳极底物，省略阳极底物的复杂更换过程，以污水处理厂的活性污泥为产电菌，以铁氰化钾水溶液为阴极液，研究秸秆水解物中各组分的降解程度以及MFC的产电性能，同时考察菌种浓度对MFC性能的影响，以期为秸秆在MFC系统中的能量转换过程提供更多的数据参考。

  1.   实验部分

  1.1   实验方法

  1.1.1   玉米秸秆的酸解

  将干燥的玉米秸秆打粉，筛选出大小为20-40目的颗粒备用。配制1%稀硫酸，选定酸固比为15:1，将秸秆溶于稀酸中配制原液，然后将原液在80 ℃水浴锅中持续搅拌反应2 h获得酸解产物。将酸解产物用1% NaOH中和，将pH值调至7.0-7.2，得到玉米秸秆水解液。

  1.1.2   电压采集方法

  本实验采用莫非电子公司的MPS-010602多通道数据采集卡记录电路电压，将多通道电压信号采集器(MPS-010602)的两个输入端口与MFC的阴阳极相连，单口输出终端通过USB接口连接到计算机上对MFC产生的电压进行在线采集并自动记录。

  1.1.3   极化曲线及功率密度曲线测试方法

  采用外阻递减法测量MFC的极化曲线。将外接电阻在9000-500 Ω逐渐减小(9000-8000- 7000-6000-5000-4000-3000-2000-1000-500 Ω)，记录相应电压变化，电压数据稳定10 min后记录^[10]。极化曲线用来考察电流或电流密度对电压参数的变化情况，并根据公式P=U×I计算出某一数据采集点对应的功率或功率密度^[11]。依据极化曲线线性范围数据计算MFC内阻。

  1.1.4   阳极生物膜形貌观测方法

  将阳极碳毡从反应液中取出，PBS润洗三次后，固定、梯度脱水，放-20 ℃冰箱中冷冻后冻干(冷冻干燥机：FD-1A-50，北京博医康实验仪器有限公司)，利用扫描电镜对电极放入MFC前后的形貌进行观察^[12]，采用的放大比例均为10000倍。

  1.1.5   电化学工作站测试方法

  本研究采用电化学工作站(上海辰华650E)通过循环伏安法来测量MFC阳极生物膜的电化学活性及通过交流阻抗法测量MFC阳极生物膜的阻抗。本研究采用三电极体系。在厌氧条件下三电极体系中以阳极为工作电极，放置在阳极附近的Ag/AgCl电极为参比电极，阴极为对电极^{[11, 13]}。循环伏安扫描范围为(-1.1)-(+0.5) V vs.Ag/AgCl，扫描速率为10 mV/s。交流阻抗(EIS)扫描频率范围为1-1e⁺⁶ Hz。

  1.1.6   秸秆水解液各组分的测量

  还原糖的测定：采用3, 5-二硝基水杨酸比色皿法^[14]。纤维素、半纤维素、木质素的测量：取质量为W₁(g)的秸秆样品使用酸洗纤维分析方法(acid detergent fiber，ADF)测定纤维素和木质素总质量为W₂(g)。采用Klasson方法测定(AOAC, 1995)木质素的质量为W₃(g)。半纤维素的质量为W_H=W₁-W₂，纤维素的质量为W_C=W₂-W₃^[15]。

  1.2   双室型MFC的构建

  本实验采用双室微生物燃料电池(装置见图 1), 腔室尺寸为8 cm×8 cm×8 cm，阴阳两室中间N117质子交换膜(杜邦公司)有效尺寸为8 cm×8 cm, 电池系统的电极均采用碳毡电极, 电极尺寸为4 cm×4 cm，在使用之前要经过预处理，每个盖板上有两个通孔用来引出电极材料，构成回路。阳极液是秸秆水解液和微生物驯化液的混合液，产电微生物是活性污泥，阳极的pH值调节为7.0-7.2。阴极液是50 mmol/L的铁氰化钾溶液作为电子受体。实验过程中阳极保持好氧状态，外接电阻为1000 Ω。本实验中环境温度均为室温。

  图 1

  

  图 1.  微生物燃料电池装置图

  Figure 1.  Photograph of microbial fuel cells device

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  2.   结果与讨论

  2.1   不同浓度秸秆液对MFC产电性能的影响

  2.1.1   不同浓度秸秆液组分分析

  MFCs运行7 d后，阳极底物中不同浓度秸秆液各组分降解率见表 1，由表 1可知，秸秆液的质量降解率在30%以上，当秸秆水解液浓度(质量/体积)为15 g/L时降解率最高，为37.9%。通过对秸秆内组分分析，得到纤维素的降解率最高，木质素降解率最低，说明此MFC体系主要是通过降解纤维素得到产电量。从秸秆的还原糖测定可以发现，总糖收率在秸秆水解液浓度为15 g/L时达到最大值，当质量分数增加时，总糖收率逐渐降低，从52.4%降到30.7%，结合纤维素降解率的变化，可知当阳极秸秆液浓度过高，会导致秸秆液中纤维素水解不充分，总糖产率下降。

  表 1

  

  表 1  MFCs运行7 d后不同浓度秸秆水解液的阳极组分分析

  Table 1.  Analysis of anodic component of MFCs with different concentrations of straw liquid after running seven days

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  Sample	Content w/%
  	total sugar yield	total quality	cellulose	hemicellulose	lignin
  10 g/L	40.1	35.2	45.3	9.3	1.8
  15 g/L	52.4	37.9	48.9	10.6	1.7
  20 g/L	46.1	35.7	44.3	12.6	1.9
  30 g/L	37.2	32.1	38.1	15.8	1.9
  40 g/L	30.7	30.2	33.3	16.2	2.1

  2.1.2   不同浓度秸秆水解液的MFC产电量

  分别以不同浓度的秸秆液作为微生物燃料电池的阳极液，得到的产电量见图 2。

  图 2

  

  图 2.  不同浓度秸秆水解液的MFCs电压输出

  Figure 2.  Voltage outputs of MFCs with different concentrations of straw liquid

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  由图 2可知，阳极液未添加秸秆液，启动电压为21 mV；阳极液中添加秸秆液，启动电压约为80 mV，约是未添加秸秆液的4倍。不同浓度的秸秆液(0、10、15、20、30、40 g/L)运行约90 h完成启动过程，达到最大电压值分别为56、158、248、208、171、148 mV。由此可知，当阳极秸秆水解液浓度为15 g/L时，产电量最大。当秸秆水解液浓度为0、10 g/L时，由于碳源不足，获得的电压较低；当秸秆水解液浓度逐渐增加为20、30、40 g/L时，电压呈逐渐下降的趋势，这可能是由于纤维素降解总糖产率的下降(表 1)使微生物的营养源减少，导致电压值下降。由此可知，秸秆液浓度为15 g/L时，MFC的产电效果最好。这较已有文献中报道的MFC产电量略低^[9]，本研究中阳极底物的处理、电池的启动过程及阴极底物组分相较于已有文献均更为简化，因此，在产电量上可比性较差。

  2.1.3   MFC功率密度及内阻分析

  MFC阳极底物中不同浓度秸秆水解液的电流密度-功率密度(C-P)曲线见图 3。由图 3可知，不同浓度秸秆水解液的功率密度有明显的差异，同时亦呈规律性变化。当秸秆水解液浓度由0增加到15 g/L，MFC的产电性能随着增加，电流密度由28.7 mA/m²增加到261.2 mA/m²，最大功率密度由2.6 mW/m²增加54.6 mW/m²，这与Jablonska等研究的油菜秸秆经过热处理及酶处理后用于MFC阳极底物时的功率(54 mW/m²)相近^[16]，但是该文献对秸秆的处理过程较为复杂。当秸秆水解液浓度由15 g/L增加到40 g/L，MFC的产电性能逐渐降低，最大功率密度降低至12.3 mW/m²，电流密度降低至90.1 mA/m²。由此可得出, 当秸秆水解液的浓度为15 g/L时，MFC的产电功率最大，是秸秆水解液浓度为0时的21倍，是秸秆水解液浓度为40 g/L时的4.4倍。秸秆水解液浓度的增加可以有效的提高MFC的输出功率密度，但是当秸秆水解液过量时，由于总糖产量下降使产电微生物碳源减少，会使MFC输出功率密度降低。

  图 3

  

  图 3.  不同浓度秸秆水解液的MFCs功率密度曲线

  Figure 3.  Power density curves of MFCs with different concentrations of straw liquid

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  不同浓度秸秆水解液的MFC电流-电压极化曲线见图 4。

  图 4

  

  图 4.  不同浓度秸秆水解液的MFCs极化曲线

  Figure 4.  Polarization curves of MFCs with different concentrations of straw liquid

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  由图 4可知，未添加秸秆水解液的MFC内阻最大，为1735 Ω；添加15 g/L的秸秆液的内阻最小，为496 Ω。随着阳极秸秆水解液浓度的增加，MFC功率密度变小，内阻逐渐变大，分别为586、627、708、859 Ω。由此可知，内阻的大小影响着MFC的产电效果。

  2.2   活性污泥菌液体积对MFC产电性能的影响

  2.2.1   不同体积活性污泥菌液的产电量

  以不同体积活性污泥菌液作为微生物燃料电池阳极的产电微生物源，得到的产电量见图 5。由图 5可知，MFC的起始电压和启动过程大致相同，起始电压约为80 mV，启动过程完成约需90 h。不同体积活性污泥菌液1.5、3.0、4.5、6.0、7.5 mL的最大电压值分别为131、162、194、248、220 mV。MFC的电压随活性污泥菌液体积的增加而增加，菌液体积达到6.0 mL时，电压值最大。当菌液体积为7.5 mL时，MFC电压由6.0 mL的248 mV降到了220 mV。由此可知，当活性污泥菌液体积为6 mL时，MFC的产电效果最好。Ismail等^[17]构建了上流式MFC反应器，将污水处理和MFC结合起来，分别以污水处理厂的活性污泥及枯草芽孢杆菌为产电微生物考察MFC的性能，用活性污泥为菌源时的最大功率密度可达120 mW/m²，以枯草芽孢杆菌为菌源时可达270 mW/m²，可见，枯草芽孢杆菌在MFC中较污水处理厂的活性污泥更有产电优势，因此，本研究的后续工作可考虑以能降解纤维素的枯草芽孢杆菌为产电菌源。

  图 5

  

  图 5.  不同体积活性污泥菌液的MFCs电压输出

  Figure 5.  Voltage outputs of MFCs with different volumes of active sludge bacteria liquid

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  2.2.2   不同体积活性污泥菌液的功率密度及内阻

  阳极底物中不同体积活性污泥菌液的MFC的电流密度-功率密度(C-P)曲线见图 6。由图 6可知，功率密度随电流密度的增大而增大，增至最大值后，功率密度降低，电流密度还在平缓增加，这说明电池的阻力越来越小^[18]。活性污泥菌液体积为1.5 mL时，最大功率密度为10.9 mW/m²，电流密度为82.3 mA/m²；活性污泥菌液体积为3.0 mL时，最大功率密度为15.0 mW/m²，电流密度为101.6 mA/m²；活性污泥菌液体积为4.5 mL时，最大功率密度为27.7 mW/m²，电流密度为188.0 mA/m²；活性污泥菌液体积为6.0 mL时，最大功率密度为54.6 mW/m²，电流密度为261.2 mA/m²；活性污泥菌液体积为7.5 mL时，最大功率密度为41.4 mW/m²，电流密度为227.6 mA/m²。由此可得出：活性污泥菌液体积为6.0 mL时，MFC的产电功率最大，是菌液体积为1.5 mL的5倍，菌液体积为7.5 mL的1.3倍。

  图 6

  

  图 6.  不同体积活性污泥菌液的MFCs功率密度曲线

  Figure 6.  Power density curves of MFCs with different volumes of active sludge bacteria liquid

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  不同体积的活性污泥菌液的MFC的电流-电压(C-V)极化曲线见图 7。由图 7可知，随着阳极底物中活性污泥菌液体积(1.5、3.0、4.5、6.0 mL)增加，功率密度逐渐增加，MFC的内阻逐渐从1000 Ω降到719、522、496 Ω，MFC的内阻越小，电池的功率密度越大。MFC的内阻是影响电池产电能力的重要因素之一，可以通过减少内阻，提高MFC的产电性能^[19]。

  图 7

  

  图 7.  不同体积活性污泥菌液的MFCs极化曲线

  Figure 7.  Polarization curves of MFCs with different volumes of active sludge bacteria liquid

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  2.2.3   阳极碳毡表面菌种形貌

  MFC阳极表面微生物生长形态见图 8。图 8(a)为未富集的碳毡的SEM照片；图 8(b)为MFC运行7 d后，活性污泥菌液体积为6 mL，秸秆液浓度为15 g/L的SEM照片。

  图 8

  

  图 8.  阳极材料的扫描电镜照片

  Figure 8.  Scanning electron microscopy images of the different anodes

  (a): not enriched; (b): enriched

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  从图 8(a)可知，碳毡有浅浅的纹路，且碳毡有较大的表面积，适合产电微生物的富集；由图 8(b)可知，产电微生物仅为小球菌种，大多数凝聚在一起与碳毡表面结合，少数单一富集在碳毡表面上，且小球状菌数量较多，但由于在SEM制样时需要吹托，因此，阳极表面较大面积的生物膜基本被吹掉，因此，并未拍到较厚的生物膜。相较于已有文献在阳极底物中的悬浮菌种^[9]，本体系的阳极底物中亦有很多的悬浮菌种，因此，阳极底物中的小分子组分需要进一步的测试和分析。

  2.3   电化学特性分析

  2.3.1   循环伏安曲线分析

  用电化学工作站测得的循环伏安曲线可知产电微生物在MFC阳极上的反应过程^[20]。图 9为阳极活性污泥菌液体积为6 mL，秸秆水解液浓度为15 g/L，在不同扫描速率(5、6、8、10、20、30 mV/s)下的循环伏安谱图。由图 9可知，在不同的扫描速率下测的循环伏安曲线形状相似，且呈规律性变化，氧化还原电位随扫描速率的增加而增加，由此表明，MFC阳极的反应过程受电子转移控制。

  图 9

  

  图 9.  不同扫描速率的循环伏安曲线

  Figure 9.  C-V curves of MFCs with different scanning rates

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  2.3.2   电化学阻抗谱图分析

  电化学阻抗谱被广泛应用于MFC中，研究MFC内部的阻抗组成^[21]。图 10为阳极菌种液体积为6 mL，秸秆液浓度为15 g/L的MFC的Nyquist图，主要由中高频区和低频区两部分组成。其中, 实轴左侧到半圆弧起点的阻抗值为欧姆内阻，5 Ω；半圆弧为中高频区，代表电荷的传递过程，半圆的直线为极化内阻，27 Ω；低频区是一条短直线为扩散内阻，直线比较短，这可能是测试高频区域限制没有显示完全^[22]；图 11为用MFC的内阻拟合一个等效电路图，是一个串联电路。R_s为扩散电阻，R_ct为极化内阻，W为扩散内阻，Q为常相位原件，R_ct为27 Ω，占阳极内阻的比例为84.38%，结合Nyquist图，表明MFC的电极过程由电荷传递和扩散过程共同控制。

  图 10

  

  图 10.  微生物燃料电池的Nyquist图

  Figure 10.  Nyquist diagram of microbial fuel cells

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  图 11

  

  图 11.  微生物燃料电池的拟合等效电路

  Figure 11.  Fitting equivalent circuit of microbial fuel cells

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  3.   结论

  实验研究了阳极底物中玉米秸秆水解液的浓度和含有活性污泥的菌种液体积对MFC产电性能的影响。研究内容包括玉米秸秆水解液各组分的降解分析，活性污泥中的微生物在阳极碳毡上的富集情况、MFC的产电量、功率密度、极化曲线，并探讨了电荷传递过程及反应过程，拟合了等效电路。研究发现，当玉米秸秆液的浓度为15 g/L时，总糖含量最高，总质量降解率最大，MFC的产电量主要是由玉米秸秆水解液中的纤维素降解得到。当MFC阳极底物中玉米秸秆液浓度为15 g/L，活性污泥菌液体积为6 mL时，MFC的功率密度达到最大值, 为54.6 mW/m²，此时，电流密度为261.2 mA/m²，内阻为496 Ω。同时，循环伏安曲线(C-V)和交流阻抗曲线(EIS)表明MFC的电极过程由电荷传递和扩散过程共同控制，反应过程受电子传递控制。

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  图 1  微生物燃料电池装置图

  Figure 1  Photograph of microbial fuel cells device

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  图 2  不同浓度秸秆水解液的MFCs电压输出

  Figure 2  Voltage outputs of MFCs with different concentrations of straw liquid

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  图 3  不同浓度秸秆水解液的MFCs功率密度曲线

  Figure 3  Power density curves of MFCs with different concentrations of straw liquid

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  图 4  不同浓度秸秆水解液的MFCs极化曲线

  Figure 4  Polarization curves of MFCs with different concentrations of straw liquid

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  图 5  不同体积活性污泥菌液的MFCs电压输出

  Figure 5  Voltage outputs of MFCs with different volumes of active sludge bacteria liquid

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  图 6  不同体积活性污泥菌液的MFCs功率密度曲线

  Figure 6  Power density curves of MFCs with different volumes of active sludge bacteria liquid

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  图 7  不同体积活性污泥菌液的MFCs极化曲线

  Figure 7  Polarization curves of MFCs with different volumes of active sludge bacteria liquid

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  图 8  阳极材料的扫描电镜照片

  Figure 8  Scanning electron microscopy images of the different anodes

  (a): not enriched; (b): enriched

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  图 9  不同扫描速率的循环伏安曲线

  Figure 9  C-V curves of MFCs with different scanning rates

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  图 10  微生物燃料电池的Nyquist图

  Figure 10  Nyquist diagram of microbial fuel cells

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  图 11  微生物燃料电池的拟合等效电路

  Figure 11  Fitting equivalent circuit of microbial fuel cells

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  表 1  MFCs运行7 d后不同浓度秸秆水解液的阳极组分分析

  Table 1.  Analysis of anodic component of MFCs with different concentrations of straw liquid after running seven days

  Sample	Content w/%
  	total sugar yield	total quality	cellulose	hemicellulose	lignin
  10 g/L	40.1	35.2	45.3	9.3	1.8
  15 g/L	52.4	37.9	48.9	10.6	1.7
  20 g/L	46.1	35.7	44.3	12.6	1.9
  30 g/L	37.2	32.1	38.1	15.8	1.9
  40 g/L	30.7	30.2	33.3	16.2	2.1

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