Page 16 - 《精细化工》2021年第1期
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·6·                               精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 38 卷

            电极间距较短时输出电压较高，是由于阴阳两极处                             电子传递机制分为两种，一种是微生物自身产生的
            于质子交换膜附近，质子和电子的迁移距离较短。                             中介体实现电子转移（如绿脓菌素），一种为将电子
            MAHMOUD 等     [43] 以 COD 为 2000 mg/L 的合成废水         从细胞直接传输到阳极的纳米导线                [48] 。
            为阳极底物，发现电极面积增加时，产生的功率密                                 目前，阳极微生物包含纯的细菌菌株和混合培
            度减小。                                               养细菌菌株。混菌型 MFC 的发电性能优于纯菌型
                 因此，在构建 MFC 的过程中，应考虑阳极和阴                       MFC，大量细菌存在容易生长出优势菌种。影响微
            极材料，电极的面积及间距对 MFC 性能造成的影                           生物活性的外界因素都会对 MFC 产生一定影响，例
            响，研发出高性能的 MFC。                                     如：温度、pH、底物浓度等。温度对 MFC 的影响
            2.3   阳极底物                                         较其他燃料电池（如甲醇燃料电池）大，因为大多
                 阳极底物被认为是影响产电性能的最重要的生                          数阳极微生物在 20~35  ℃内具有活性。该温度范围
            物因素之一      [44] ，纯化合物和废水中的有机物均可以                   有效地提高了微生物的最佳生长速率和生物膜的发
            作为 MFC 的阳极底物。目前，实验室常用的阳极底                          育，提高 COD 的去除率         [49] 。pH 是调节微生物细胞
            物为醋酸盐、葡萄糖、纤维素及各种废水等。                               代谢活动的重要因素，中性和弱碱性环境被认为可
                                                                                                 +
                 阳极底物的种类不同，微生物对其利用率及其                          以促进电化学活性细菌的生长               [50] ，H 转移缓慢和
            降解程度也不同，直接影响到 MFC 的输出功率。                           ORR 滞后通常会在初始电生成阶段导致 pH 急剧下
            EBADINEZHAD 等     [45] 以乙酸为起始原料，乙醇、乳               降 [51] ，这严重限制了电化学活性细菌在阳极表面的
            糖、蔗糖、淀粉、糖蜜、甲醇等不同底物连续分批                             扩散和活性，并导致电功率下降              [52] 。因此，pH 通过
            投料。连续投料 11 批后，用醋酸盐富集，达到可接                          影响微生物的生长而降低电子释放速率，从而导致
            受的稳定电流量，开始切换底物。底物的复杂性影                             较低的发电量。底物浓度过小会造成碳源减少，不
            响了 MFC 产电和去除 COD 的性能。研究表明，醋                        能维持细菌的生长，底物浓度过大会抑制微生物的
            酸、乙醇、乳糖、蔗糖、淀粉、糖蜜和甲醇为阳极                             生长，传递电子量下降导致功率密度降低                   [46] 。微生
            底物的 MFC 的功率密度平均值分别为 513、376、                       物的正常细胞代谢活动对 MFC 的处理效率有着重
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            388、349、315、328 和 10 mW/m 。                        要意义，因此，应调节 MFC 的内部环境以保障微生
                 阳极底物的含量对 MFC 的产电性能也会造成                        物的活性。
            一定的影响，含量较低导致有机质不够维持微生物                             2.5   质子交换膜
            的正常生长，含量较高可能会抑制微生物的生长。                                 PEM 是阴阳两极的分隔材料，避免电子受体的
            LIU 等  [46] 向碳刷阳极 MFC 加入质量浓度为 100、                 反扩散，阻挡其他离子在两室之间转移，提高库仑
            500、1000 mg/L（COD）的阳极底物，在底物质量                      效率，减少阴极室中氧气流向阳极室，确保高效和
            浓度为 500 mg/L  时 MFC 输出功率密度最大。                      可持续的运行。质子传导率低，费用高的 PEM 不仅
            RYAN 等   [47] 以单室 MFC 作为反应器，在高底物质                  影响 MFC 的发电性能，而且频繁更换新膜导致 MFC
            量浓度条件（2 g/L  乙酸钠，2 d 进料），总氨质量                      的运行成本增加。因此，MFC 对质子交换膜的质子
            浓度高达 4000 mg/L，MFC 功率密度介于 1.1~1.9                  传导性和防污性有较高要求。
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            W/m 。在较低的底物质量浓度条件（0.67 g/L  乙酸                         目前，用于 MFC 中的质子交换膜主要为全氟磺
            钠，2 d 进料），总氨质量浓度为 3000 mg/L 时 MFC                  酸质子交换膜（Nafion，NF），但其生产成本高且膜
            功率密度下降。结果表明，高底物质量浓度可显著                             结垢严重，导致 MFC 效率低           [53] 。NF 膜的制造和调
            增强外生电细菌抵抗氨气抑制的能力。在高氨质量                             节的成本高且又产生危险废物，批次结束时，装有
            浓度下，即使氨氮没有抑制发电，但 COD 的去除率                          NF 的电池阴极碳布外侧出现干盐沉积。为解决这一
            也逐渐降低。                                             问题，研发出可应用于 MFC 的低成本可替代膜，比
                 具有不同阳极底物的 MFC 产生不同的功率密                        如琼脂膜。 HERNÁNDEZ-FLORES 等            [54] 比较了
            度，因此，在构建 MFC 时应选择合适的阳极底物以                          Nafion 117（NF）和琼脂膜的 MFC 处理实际生活垃
            提高输出功率。底物含量对 MFC 的影响不可忽视，                          圾渗滤液的性能。结果表明，在分批操作过程中，
            为提高产电性能应注意底物浓度对 MFC 功率密度                           使用低成本琼脂膜的 MFC 性能更加稳定，所提供的
            的影响，测出最佳底物浓度。                                      体积功率密度是使用 NF 的 MFC 的 2 倍以上。
            2.4    阳极微生物                                           PEM 的质子传导性和防污性能可以通过开发
                 MFC 的产电能力与阳极微生物的活性密切相                         新的膜并改善现有的膜来提高。为了提高质子交换
            关。在 MFC 中，阳极微生物分解有机物产生电子和                          膜质子电导率和在 MFC 中的防污性能，XU 等                 [55] 制
            质子，利用电子传递机制将电子传递到胞外电极。                             备了一种二氧化硅石墨烯/苯乙烯磺酸钠（SGO@SiO 2/
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