Page 225 - 《精细化工》2023年第12期

第 12 期 李思煜，等: 纳米 Fe 3 O 4 对沼液 MFC 产电特性与有机物降解的影响 ·2767·

子转移能力变差，不足以支撑 ML1 进行稳定的电子 能团加速了 MFC 微生物与纳米 Fe 3 O 4 之间的电子传
传递活动，电压持续降低，直到 471 h 后结束实验。 递，纳米 Fe 3 O 4 多孔结构为微生物提供了更多附着
ML2 和 ML3 均在运行 60 h 后电压达到最大，分别为 位点 [11] ，减小了 ML3 的反应内阻，更有利于 Fe 3 O 4 @
699 和 707 mV，最高电压持续时间均可长达 10 d，之后 生物炭参与 MFC 整个产电过程。
两组的电压值均出现短暂的下降趋势。在启动 85 h
后 ML2 的电压达到几乎稳定的状态，438 h 后电压
出现了快速下降趋势，ML3 的电压在启动 97 h 后达
到稳定状态，423 h 时电压稍有上升后呈现稳定下降
趋势，而此时 ML1 电压值已经降至 200 mV 以下。
从 3 组电池趋势对比来看，ML2 和 ML3 比 ML1 启
动时间更快，产生的电压值更高且持续时间更长，
证明纳米 Fe 3 O 4 的介入可以有效促进 MFC 的电子传
递，缩短启动时间，并且纳米 Fe 3 O 4 能与产电菌协
同作用延长产电时间。纳米 Fe 3 O 4 的两种介入方式
对总体产电趋势的影响差别不大，ML2 在时间上先
于 ML3 达到电压最大值，但数值上低于 ML3 的最
大电压值，将 Fe 3 O 4 @碳毡作为阳极电极参与的 MFC
反应启动时间更短，而 Fe 3 O 4 @生物炭的加入可以使
MFC 产生更高的电压。
MFC 运行稳定后，利用改变电阻法 [22] 测得 3 组
MFC 的极化曲线及功率密度如图 4 所示。库仑效率
是电池电子回收效率的量化指标。通过分析图 4 发
现，ML3 的库仑效率最高，为 8.03%，ML2 库仑效
率为 6.53%，ML1 的库仑效率最低，为 5.10%，证
明纳米 Fe 3 O 4 可以提高 MFC 阳极室电子回收效率，
并且以投加 Fe 3 O 4 @生物炭的方式介入阳极反应的
沼液 MFC 电子回收效率最高。外接负载电阻降到
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100 Ω 时，ML1 获得最大功率密度 399 mW/m （图
4a），负载电阻由 1000 Ω 降至 100 Ω 的过程 ML1 的
电压基本呈线性变化，此线性变化阶段为欧姆极化
过程，ML1 内阻为 95 Ω。当负载电阻调节到小于
100 Ω 之后，ML1 的电压出现不稳定且无规律的急

速下降状态，证明仅依靠胞外电子传递的方式导电 a—ML1；b—ML2；c—ML3
不足以支撑 MFC 应对有机物含量复杂的鸡粪发酵 图 4 3 组 MFC 的极化曲线与功率密度
液产电过程。ML2 在负载电阻 90 Ω 时获得最大功 Fig. 4 Polarization curves and power density plots of three
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率密度 700 mW/m （图 4b），比 ML1 提高了 43%， MFC
不同于另外两组 MFC 的是，ML2 整个产电过程大 2.3 有机物降解分析
致分为两段欧姆极化过程，在外接负载电阻降至 80 沼液中 COD 含量及 MFC 阳极沼液 COD 降解
Ω 时，ML2 电压突然下降，之后进入另一段欧姆极 率如图 5a 所示。COD 的浓度变化是衡量沼液中有
化区，这两段过程 ML2 的内阻相差不大，分别为 机物降解的关键，与实验室制备的 MFC 运行模拟废
72 和 74 Ω，证明将纳米 Fe 3 O 4 负载于碳毡后，ML2 水基质不同，鸡粪发酵液的有机组分更加复杂，其
的导电稳定性有了一定提升，并且纳米 Fe 3 O 4 与附 中鸡粪发酵液的 COD 含量为（22220±573.4） mg/L。
着在碳毡上的产电微生物相互作用产生持续导电行 反应 17 d 后，ML1 和 ML3 的 COD 降解率分别为
为。当负载电阻为 100 Ω 时，ML3 获得最大功率密 45.45%和 42.03%，证明以投加 Fe 3 O 4 @生物炭的方
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度 578 mW/m （图 4c），比 ML1 提高了 31%，低于 式介入 MFC 阳极室反应虽然促进了电子传递过程，
ML2 的最大功率密度，但 ML3 欧姆极化区的内阻 但对 COD 的降解效果不显著。而反应后 ML2 的
仅为 63 Ω。这可能是由于生物炭的氧化还原活性官 COD 含量为（10720±406.6） mg/L，COD 降解率