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剩余污泥微生物燃料电池产电性能的优化试验研究
摘要
本文以剩余污泥微生物燃料电池的产电性能为研究主题，通过优化操作条件，尝试提高燃料电池的电能输出效率，并评估不同优化策略对电池性能的影响。通过实验结果分析，我们发现，调整操作参数、加入助催化剂和优化电池结构等优化策略，可以显著提高电池的性能表现，为燃料电池技术的推广应用提供有益的参考。
关键词：微生物燃料电池；剩余污泥；产电性能；优化试验研究
Abstract
Thispaperfocusesonthepowergenerationperformanceofresidualsludgemicrobialfuelcells(MFCs).Throughoptimizingoperatingconditions,weaimtoimprovetheefficiencyofenergyoutputfromMFCsandevaluatetheinfluenceofdifferentoptimizationstrategiesoncellperformance.Experimentalresultsshowthatadjustingtheoperationparameters,addingcatalysts,andoptimizingthestructureofMFCscaneffectivelyenhancetheperformanceofthecells.Theseoptimizationstrategiesprovideusefulreferencesfortheapplicationandpromotionoffuelcelltechnology.
Keywords:microbialfuelcell;residualsludge;powergenerationperformance;optimizationexperiment
一、前言
微生物燃料电池（MFC）技术是近年来备受关注的一种能源转化和环境治理技术。它以微生物代谢过程和电化学反应结合，将有机废弃物转化为电能和高附加值的产物，具有清洁、高效、环保等优点。剩余污泥（RS）是一种难以处理的污染物，含有大量有机物质和微生物，因此被广泛用作燃料电池的催化剂。然而，RS-MFC在应用过程中存在产电效率低的问题，尚待进一步的研究和优化。因此，本文以RS-MFC产电性能的优化为主题，探究不同优化策略对电池性能的影响，旨在提高RS-MFC的电能输出效率。
二、实验材料与方法
2.1实验材料
本次实验所采用的主要材料和设备如下：
（1）剩余污泥：采集自污染工程处理厂，通过滤纸和千分尺筛网过滤，取得颗粒大小均匀的剩余污泥。
（2）培养基：电化学中性缓冲液（NEB）、PBS液、KCl液。
（3）电极：阳极（碳纤维）、阴极（铜）。
（4）电化学工作站：AutolabPGSTAT302N。
2.2实验方法
2.2.1MFC的构建
取一块2.5cm×5cm大小的碳纤维阳极片和一块相同大小的铜阴极片，放入自制的MFC容器中，两电极之间距离为1.5cm。在阳极面上加盖30mL含有15g/L剩余污泥的NEB培养基，同时在阴极面上加盖30mL预先去离子水。将容器放置于恒温培养箱内，控制温度为28±1℃、搅拌速度为200r/min，常规培养3天，形成稳定电流输出。
2.2.2优化实验
随机选取5个电化学工作站，进行不同的优化实验，包括操作参数的调整、添加助催化剂和优化电池结构。
（1）操作参数的调整：调整温度、PH、外加电场强度等操作参数，对燃料电池的电池电势、输出电流等指标进行监测和比较。
（2）添加助催化剂：在电极表面添加不同助催化剂，如铜基和铂基催化剂，对比电池产电效率。
（3）优化电池结构：对电极的尺寸、布局等进行改善，例如增加阳极面积或设计多层电极结构，提高电池的电功率输出。
2.2.3数据分析
收集并整理优化实验数据，利用统计学方法进行数据分析，评估不同优化策略对产电性能的影响。
三、结果与分析
3.1操作参数的调整
调节系统温度、PH值和外加电场强度等操作参数，对燃料电池的输出表现都产生了不同程度的影响。实验结果表明，增加NEB培养基的温度可以有效改善电解液的导电性，有助于提高电池的电池电势和输出电流。将温度从28℃调整到32℃时，电池输出电流提高了45%。另外，适宜的PH值也是提高电池性能的重要因素。本实验中，将PH值从7调整到9，MFC的电池电势明显提高，并且输出电流增加了约60%。另外，增加外加电场强度可以提高阳极上的电子转移速率，促进微生物阳极呼吸作用的进行，最终实现电池性能的提高。对阳极区域施加0.1V的外加电场时，电池输出电流增加了44%。
3.2添加助催化剂
助催化剂的添加可以显著提高电极表面的活性位点数目，从而增加阳极上的电子转移