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（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，重點關注其效率、機制和節能特性。

一、摘要核心內容

摘要指出，活性炭空氣陰極在MFCs中因長期運行易受鹽積累和生物膜污染，導致性能衰減。本研究首次證明半波整流交流場（AC+）是一種新穎、高效且節能的陰極再生方法。1.2 V AC+處理12小時后，電流密度恢復50%（運行20天）和43%（運行30天），而直流（DC）處理僅恢復12-15%，且AC+能耗僅為DC的1/4。AC+清潔了催化劑層孔隙，使氧擴散系數增加43%，同時滅活細菌（65%死亡），并利用釋放的鹽分擴大生物膜以利去除。這項技術為延長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期運行中因鹽沉淀（占電荷轉移阻力53%）和生物膜（占37%）污染而性能下降，需開發再生方法。

評估AC+電場的有效性：驗證AC+在去除離子、清潔孔隙和控制生物膜方面的優勢，相比傳統DC處理是否更高效節能。

 

揭示再生機制：通過多維度數據分析，闡明AC+處理對陰極結構、傳質和微生物活性的影響。

 

三、研究思路

 

實驗設計：構建單室MFCs，使用活性炭空氣陰極（滾動壓制法制備），在50 mM磷酸鹽緩沖液中運行20天和30天模擬污染。

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

性能評估：通過線性掃描伏安法（LSV）測量電流恢復、極化曲線測功率密度、電化學測試分析氧傳質。

 

機制分析：結合SEM觀察電極形態、CLSM分析生物膜、電導率監測鹽釋放，探究AC+的作用機制。

 

四、測量數據及研究意義

研究測量了多類數據，其意義和來源如下：

 

電流密度與功率密度：

 

數據來源：圖2（LSV曲線）顯示電流密度衰減與恢復；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43-50%，而DC僅12-15%，證明AC+高效逆轉污染；功率密度恢復37%（從1179 mW/m2至1426 mW/m2），表明AC+能實際提升MFC輸出性能。這些數據直接驗證了AC+再生的可行性。

 

鹽釋放數據：

 

數據來源：圖5A顯示電解質電導率變化（AC+處理使電導率增加295 μS/cm，比DC高37%）。

 

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

 

電極形態變化：

 

數據來源：圖5B-D的SEM圖像對比新鮮陰極、污染陰極和AC+處理陰極的孔隙結構。

 

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+恢復催化劑活性位點，改善反應界面。

 

生物膜厚度與活性：

 

數據來源：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+滅活細菌并擴大生物膜，使其更易去除，結合鹽釋放形成“工具效應”，破解生物膜污染難題。

 

氧傳質系數：

 

數據來源：表1列出氧擴散系數（k值），通過丹麥Unisense微電極測量。

 

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，是性能恢復的關鍵指標。

 

五、研究結論

 

AC+電場高效再生陰極：AC+處理顯著恢復電流密度（43-50%）和功率密度（37%），優于DC處理，且能耗低至1/4，適用于實際MFCs。

機制雙重作用：AC+通過周期性電場力驅動離子釋放（鹽去除），清潔孔隙并改善氧傳質；同時滅活細菌并擴大生物膜，便于后續水力清洗。

 

技術普適性：該方法不僅適用于MFCs，還可擴展至膜生物反應器、電容去離子等領域，用于多孔材料污染控制。

 

六、丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

使用丹麥Unisense微電極系統測量的氧傳質數據（k值）具有關鍵研究意義：

 

測量方法：Unisense電極在無氧環境中監測溶解氧（DO）濃度變化，通過公式 k=?AtVln[C0C0?Ct]計算氧擴散系數。電極先極化校準，確保高精度（方法部分描述）。

研究意義：

 

量化傳質改善：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效率提升43%。這解釋了性能恢復的物理基礎——鹽堵塞去除擴大了氧擴散通道。

關聯陰極結構：k值增加與SEM顯示的孔隙清潔（圖5D）一致，表明Unisense數據提供了陰極內部結構變化的間接證據，將電化學性能與形態學聯系。

支持機制假設：AC+的周期性電場產生介電泳力，促進離子遷移和液體流動（圖5F），Unisense數據驗證了這種動力學效應如何改善傳質，強化了AC+優于DC的機制解釋。

 

應用導向：低k值（如污染陰極6.9×10?? cm/s）接近隔膜材料，說明污染嚴重；AC+處理后k值恢復，為MFCs長期運行提供了可監測的維護指標，凸顯Unisense電極在優化再生策略中的工具價值。

 

總之，本研究通過綜合數據證明AC+是一種革命性陰極再生技術，而Unisense電極的氧傳質測量為核心機制提供了定量支撐，為MFCs的實用化推進提供了重要依據。