奥格斯河不同深度泥沙双室MFC发电

摘要

由于以化石燃料为基础的能源迅速枯竭，其成本不断增加，几十年来，人们已将重点转向可再生技术。利用奥格贝斯河不同深度淤泥沉积物的双室微生物燃料电池进行了为期12天的发电能力研究。深度为地表水，深度0 cm，深度50 cm，深度100 cm，深度150 cm。采用标准微生物学技术测定了沉积物的微生物种群和鉴定，并测定了沉积物的理化参数。使用万用表测定电流、电压和电阻，并计算功率和电流密度的读数。沉积物表层微生物数量较表层丰富，细菌数量在0.4 10 -6 ~ 2.3 10-5 (cfu/ml)之间，真菌数量在0.2 10-5 ~ 0.7 10-5 (sfu/ml)之间。在深度100 cm和150 cm处未发现真菌生长。观察到的电流、电压、功率、电流密度和电阻的读数分别为0.02 ~ 2.17 (mA)、27 ~ 800 (V)、0.0 ~ 0.24 (W)、18 ~ 4357 (Amps/m2)和0.097 ~ 9.76 (Ω)。生理分析表明，不同深度的泥质沉积物具有低pH、低有机碳、低电离电位、高电导率和高矿化度的特征。在高电阻率条件下，建立了所有河流沉积物深度的发电能力。

关键字

动力，双室，微生物燃料电池，微生物

介绍

在可再生能源和技术领域取得了许多研究和技术进步。这是由于基于化石燃料的能源的迅速枯竭，其成本不断增加，即石油。除了不可持续性和高成本外，它也是大气中温室气体排放的主要原因，对环境产生重大影响。几十年来，人们对可再生能源技术的关注已经发生了重大转变[1]。随着现代技术开始适应和探索其可能性，最近重新出现的可再生能源的另一个潜在领域;就是利用细菌发电。微生物燃料电池(MFCs)促进了这一过程，最近作为一种将有机物转化为电能的模式受到了广泛关注[2]。它利用了大量的微生物分解在诸如废水污泥、海底沉积物以及其他细菌大量生长的地方。这种利用微生物作为燃料电池催化剂的概念早在20世纪70年代初就被探索过。“然而，直到最近，具有增强功率输出的微生物燃料电池才被开发出来，为实际应用提供了可能的机会[3.]。mfc有许多潜在的应用，如发电、生物制氢、废水处理和生物传感器[4-6]。微生物燃料电池(mfc)是利用微生物的代谢活性氧化燃料，产生电能的电化学装置当前的通过直接或间接的电子转移到电极[3.，7]。该装置包括阳极室、阴极室、电极、质子交换膜和外部电路。MFC将可生物降解的基质直接转化为电能[7]。阳极在厌氧环境中容纳细菌和有机物质。阴极在双室型MFC或空气中保持导电盐水溶液，如果是单室。细菌产生质子和电子有机底物被转化成能源。这些能量被微生物用来生长和储存。电子直接转移到阳极电极(在无介质设置)，并通过铜线或导电材料转移到阴极电极。质子通过离子交换膜进入阴极室产生水，这是还原过程的结果，就氢转移而言[8]。

并不是所有的细菌都能直接转移电子;因此，需要使用人工化学物质，如“硫氨酸、腐植酸、中性红、甲基蓝和甲基紫”。这些被称为氧化还原介质。根据洛根的说法[9]，细菌在阳极生长，氧化物质并在分解基质时释放电子。有些细菌需要外电生物膜才能有效地将电子转移到电子受体，而有些细菌则不需要介质直接转移电子。向阴极提供空气或其他接种物，通过外部电路为电子的反应提供溶解氧，阴极的质子和氧气完成电路并产生权力(10]。

然而，mfc相对于氢燃料电池的主要优势是，目前mfc的发电能力受到限制，主要原因是内阻高或阴极反应效率低，而且膜的高成本限制了mfc规模化生产的可行性。通过适当的结构优化或生产能源的适当储存，微生物燃料电池能够为各种广泛使用的设备提供动力:例如，将能量存储在外部存储设备(例如电容器)中，并在需要时间歇性地以高功率爆发的方式分配能量。11，12]，以不同时间间隔监测环境参数的功率传感器，而不是连续监测[13]，利用肠道内容物为放置在人体大肠内的植入式医疗器械提供动力[14]，放置在海底或水下环境中的动力装置[15]。因此，本研究的目的和目的是测定微生物人口鉴定泥质沉积物中不同深度的微生物，观察沉积物产生的动力，测定沉积物的pH值、有机碳、电导率、电离电位和盐度。

材料与方法

样品收集

利用土壤螺旋钻在Ogbese河河面不同深度(泥地表水、泥表面、深度50 cm、深度100 cm、深度150 cm)采集丰富的泥样，装入无菌容器，用冰袋运输。

微生物和物理化学分析

测定每个样品(泥浆地表水、泥浆表面、深度50 cm、深度100 cm和深度150 cm)和对照(靠近河流地区的土壤样品)的微生物数量和鉴定。采用营养琼脂、西三酰胺琼脂、甘露醇盐琼脂、沙门氏菌-志贺氏菌琼脂、麦康基琼脂、伊红甲基蓝和马铃薯葡萄糖琼脂对细菌、真菌和酵母菌进行分离。测定的理化参数包括pH、电离电位、盐度、有机物和矿物质。

微生物燃料电池结构

电极、阴极室和阳极室:阴极室和阳极室都使用表面消毒的碳电极，并将其紧紧地固定在铜线上，浸入每个室中。微生物燃料室的阴极室和阳极室为1.5升塑料使用前用70%乙醇清洗瓶子表面消毒。

盐桥:盐桥施工用PVC管尺寸为长5cm，直径2cm，盐桥溶液由3%琼脂溶于1M NaCl制备。溶液首先加热混合，得到琼脂糖和NaCl的清澈溶液，将溶液倒入密封好的PVC管中，在25°C下保存2小时固化。

电路组装电路的组装完成了。将底物(泥浆沉淀物)置于维持厌氧条件的阳极室中，在维持好氧条件的阴极室中，放入含盐溶液。每个阴极和阳极室通过环氧胶密封的盐桥连接在一起。在不同深度(泥浆地表水、泥浆表面、深度50 cm、深度100 cm和深度150 cm)，阴极室分别充入1 L NaCl溶液和阳极室各充入1 L泥浆沉积物溶液，共组成6个MFC室。每个腔室内部由盐桥连接，外部电路由导线连接，导线在其两端连接到两个电极，并通过另一端连接到万用表。燃料产生的电压、电流和电阻细胞用万用表(图1和2)。

结果与讨论

的细菌奥格贝斯河泥沙在不同深度的真菌种群图3和图4。细菌数量在0.04 ~ 0.010之间⁵到2.3 10⁵(cfu/ml)，真菌种群分布范围为0.2 ~ 10⁵到0.7 10⁵(学院/毫升)。深度100 cm和150 cm的细菌数量最低，为0.04 10⁵(cfu/ml)，泥浆表面最高，为2.3 10⁵（图3)。在深度100 cm和150 cm处真菌种群没有生长，真菌数量最高为0.7 10个⁵(sfu/ml)为对照(图4)。

从泥浆沉积物中分离出的微生物表1在泥质沉积物的不同深度和对照中分离出19种微生物。

奥格贝斯河在不同深度12天内产生的电流、电压、功率、电流密度和电阻(图5 - 8)。观察到电流、电压、功率和电流密度读数在2^th到10^th实验第1天和第11 ~ 12天的读数最低。观察到的读数范围为0.02至2.17 (mA)， 27至800 (V)， 0.0至0.24 (W)， 18至4357 (Amps/m)²)和0.097至9.76(欧姆)分别为电流，电压，功率，电流密度读数和电阻。

表1。奥格贝斯河淤泥沉积物中分离的微生物。

3日地表水读数最大电流为2.17 (mA)^{理查德·道金斯}日和1.7 (mA)在1^圣的一天。在实验中，在深度0 cm、深度50 cm和深度150 cm处观察到最低电流。在地表水和深度100 cm处，5号的最高电压读数为800 V, 10号的读数为760 V^th当天，深度0厘米的最低读数为27伏11^th的一天。最高功率和电流密度读数0.24 (W)和4357(安培/米²)在7日的地表水处得到^th分别为0.097 (W)和1563 (Amps/m)²)深150厘米上3^{理查德·道金斯}这一代的。深度0 cm，深度50 cm和深度100 cm记录了整个实验的最低功率和电流密度读数(图5 - 8)。深度0 cm和深度100 cm录得的最高阻力分别为9.76和9.34 Ω^th和7^th在深度为50 cm和150 cm (图9)。

生理分析表明，不同深度的泥质沉积物具有低pH值、低有机碳、低电离电位、高电导率和高盐度(图10)。pH值为4.72 ~ 7.52，电导率为56 ~ 344 (μS)，电离势为46 ~ 4 (Mev)，盐度为218 ~ 15 (ppm)，有机碳含量为3.12 ~ 1.08(%)。在深度0 cm处电导率最高，为344 μS;在深度150 cm处电导率最低，为66 μS。深度50 cm的电离势最高为46 Mev，地表水的电离势最低为4 Mev。水深0厘米处盐度最高，为218 (ppm)，地表水最低，为15 (ppm)。

奥格比斯河上游较下游可能富含有机质，这可能是造成奥格比斯河上游微生物数量较多而下游微生物数量较少的原因(图3和图4)。电流、电压、功率和电流密度一般在2^nd8天前^th电流一般为日，这表明泥沉积物中的微生物处于指数生长阶段(图5 - 8)。地表水录得最高的电流、电压、功率和电流密度，这可能是由于地表水的细菌和真菌数量比其他深度高[16]。不同深度的电阻读数相当高，这可能导致产生的电流和电压低，因为根据欧姆定律，当电阻增加时，电流减小。用于产生电子的能量也相对较低，因为大部分能量用于细胞生长。朴槿惠[17研究表明，与生长中的细菌相比，处于休眠阶段的细菌细胞可以产生更多的电子。

结论

各种样品的pH值介于微酸性到中性之间，这是细菌茁壮成长的良好pH值，沉积物中存在有机碳表明它含有有机物。沉积物的电导率和电离电位也反映了沉积物产生电流和电压的能力。

参考文献

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