Regeneration of activated carbon air-cathodes by half-wave rectified alternating fields in microbial fuel cells

微生物燃料電池半波整流交流場(chǎng)的再生活性炭空氣陰極

來源：Applied Energy 219, 2018, 199-206

 

論文研究了一種使用半波整流交流場(chǎng)（AC+）再生微生物燃料電池（MFCs）中污染活性炭空氣陰極的新方法，重點(diǎn)關(guān)注其效率、機(jī)制和節(jié)能特性。

一、摘要核心內(nèi)容

摘要指出，活性炭空氣陰極在MFCs中因長(zhǎng)期運(yùn)行易受鹽積累和生物膜污染，導(dǎo)致性能衰減。本研究首次證明半波整流交流場(chǎng)（AC+）是一種新穎、高效且節(jié)能的陰極再生方法。1.2 V AC+處理12小時(shí)后，電流密度恢復(fù)50%（運(yùn)行20天）和43%（運(yùn)行30天），而直流（DC）處理僅恢復(fù)12-15%，且AC+能耗僅為DC的1/4。AC+清潔了催化劑層孔隙，使氧擴(kuò)散系數(shù)增加43%，同時(shí)滅活細(xì)菌（65%死亡），并利用釋放的鹽分?jǐn)U大生物膜以利去除。這項(xiàng)技術(shù)為延長(zhǎng)陰極壽命提供了新策略。

二、研究目的

 

解決陰極污染問題：活性炭空氣陰極在長(zhǎng)期運(yùn)行中因鹽沉淀（占電荷轉(zhuǎn)移阻力53%）和生物膜（占37%）污染而性能下降，需開發(fā)再生方法。

評(píng)估AC+電場(chǎng)的有效性：驗(yàn)證AC+在去除離子、清潔孔隙和控制生物膜方面的優(yōu)勢(shì)，相比傳統(tǒng)DC處理是否更高效節(jié)能。

 

揭示再生機(jī)制：通過多維度數(shù)據(jù)分析，闡明AC+處理對(duì)陰極結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)和微生物活性的影響。

 

三、研究思路

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：構(gòu)建單室MFCs，使用活性炭空氣陰極（滾動(dòng)壓制法制備），在50 mM磷酸鹽緩沖液中運(yùn)行20天和30天模擬污染。

處理方案：應(yīng)用不同電場(chǎng)（AC、AC+、AC-、DC，電壓1.2 V，頻率1 kHz）處理污染陰極12小時(shí)，以開路處理為對(duì)照。

性能評(píng)估：通過線性掃描伏安法（LSV）測(cè)量電流恢復(fù)、極化曲線測(cè)功率密度、電化學(xué)測(cè)試分析氧傳質(zhì)。

 

機(jī)制分析：結(jié)合SEM觀察電極形態(tài)、CLSM分析生物膜、電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)鹽釋放，探究AC+的作用機(jī)制。

 

四、測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

研究測(cè)量了多類數(shù)據(jù)，其意義和來源如下：

 

電流密度與功率密度：

 

數(shù)據(jù)來源：圖2（LSV曲線）顯示電流密度衰減與恢復(fù)；圖4（極化曲線）顯示功率密度變化。

 

 

研究意義：電流密度在0 V電位下，AC+處理恢復(fù)43-50%，而DC僅12-15%，證明AC+高效逆轉(zhuǎn)污染；功率密度恢復(fù)37%（從1179 mW/m2至1426 mW/m2），表明AC+能實(shí)際提升MFC輸出性能。這些數(shù)據(jù)直接驗(yàn)證了AC+再生的可行性。

 

鹽釋放數(shù)據(jù)：

 

數(shù)據(jù)來源：圖5A顯示電解質(zhì)電導(dǎo)率變化（AC+處理使電導(dǎo)率增加295 μS/cm，比DC高37%）。

 

研究意義：電導(dǎo)率上升證實(shí)AC+促進(jìn)離子從陰極孔隙釋放，緩解鹽堵塞（主要污染源），為性能恢復(fù)提供直接證據(jù)。

 

電極形態(tài)變化：

 

數(shù)據(jù)來源：圖5B-D的SEM圖像對(duì)比新鮮陰極、污染陰極和AC+處理陰極的孔隙結(jié)構(gòu)。

 

研究意義：污染陰極孔隙被鹽堵塞（圖5C），AC+處理后孔隙清潔（圖5D），表明AC+恢復(fù)催化劑活性位點(diǎn)，改善反應(yīng)界面。

 

生物膜厚度與活性：

 

數(shù)據(jù)來源：圖5E的CLSM圖像顯示生物膜厚度（從34 μm增至51 μm）和死菌比例（AC+處理后65%死亡）。

 

研究意義：AC+滅活細(xì)菌并擴(kuò)大生物膜，使其更易去除，結(jié)合鹽釋放形成“工具效應(yīng)”，破解生物膜污染難題。

 

氧傳質(zhì)系數(shù)：

 

數(shù)據(jù)來源：表1列出氧擴(kuò)散系數(shù)（k值），通過丹麥Unisense微電極測(cè)量。

 

研究意義：k值從污染陰極的6.9×10?? cm/s增至AC+處理后的8.7×10?? cm/s（提升34%），證明孔隙清潔改善氧傳質(zhì)，是性能恢復(fù)的關(guān)鍵指標(biāo)。

 

五、研究結(jié)論

 

AC+電場(chǎng)高效再生陰極：AC+處理顯著恢復(fù)電流密度（43-50%）和功率密度（37%），優(yōu)于DC處理，且能耗低至1/4，適用于實(shí)際MFCs。

機(jī)制雙重作用：AC+通過周期性電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)離子釋放（鹽去除），清潔孔隙并改善氧傳質(zhì)；同時(shí)滅活細(xì)菌并擴(kuò)大生物膜，便于后續(xù)水力清洗。

 

技術(shù)普適性：該方法不僅適用于MFCs，還可擴(kuò)展至膜生物反應(yīng)器、電容去離子等領(lǐng)域，用于多孔材料污染控制。

 

六、丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)量的氧傳質(zhì)數(shù)據(jù)（k值）具有關(guān)鍵研究意義：

 

測(cè)量方法：Unisense電極在無氧環(huán)境中監(jiān)測(cè)溶解氧（DO）濃度變化，通過公式 k=?AtVln[C0C0?Ct]計(jì)算氧擴(kuò)散系數(shù)。電極先極化校準(zhǔn)，確保高精度（方法部分描述）。

研究意義：

 

量化傳質(zhì)改善：k值從污染陰極的6.9×10?? cm/s升至AC+處理后的8.7×10?? cm/s（表1），直接證明孔隙清潔后氧傳質(zhì)效率提升43%。這解釋了性能恢復(fù)的物理基礎(chǔ)——鹽堵塞去除擴(kuò)大了氧擴(kuò)散通道。

關(guān)聯(lián)陰極結(jié)構(gòu)：k值增加與SEM顯示的孔隙清潔（圖5D）一致，表明Unisense數(shù)據(jù)提供了陰極內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的間接證據(jù)，將電化學(xué)性能與形態(tài)學(xué)聯(lián)系。

支持機(jī)制假設(shè)：AC+的周期性電場(chǎng)產(chǎn)生介電泳力，促進(jìn)離子遷移和液體流動(dòng)（圖5F），Unisense數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這種動(dòng)力學(xué)效應(yīng)如何改善傳質(zhì)，強(qiáng)化了AC+優(yōu)于DC的機(jī)制解釋。

 

應(yīng)用導(dǎo)向：低k值（如污染陰極6.9×10?? cm/s）接近隔膜材料，說明污染嚴(yán)重；AC+處理后k值恢復(fù)，為MFCs長(zhǎng)期運(yùn)行提供了可監(jiān)測(cè)的維護(hù)指標(biāo)，凸顯Unisense電極在優(yōu)化再生策略中的工具價(jià)值。

 

總之，本研究通過綜合數(shù)據(jù)證明AC+是一種革命性陰極再生技術(shù)，而Unisense電極的氧傳質(zhì)測(cè)量為核心機(jī)制提供了定量支撐，為MFCs的實(shí)用化推進(jìn)提供了重要依據(jù)。