一种废菌棒碳阳极的制备方法及应用与流程

本发明属于废弃食用菌棒资源化利用领域，更具体地涉及一种废菌棒碳阳极的制备方法及应用。

背景技术：

目前的食用菌生产普遍采用了工厂化生产方式，规模庞大，生产结束后会剩下大量的栽培废料——废菌棒，如不及时处理，会占用大量土地，对环境造成污染。虽然废菌棒可被栽培菌类利用的营养已耗尽，不再出菌，但还含有大量粗纤维和粗蛋白。因此，废菌棒具备资源化转化的潜力。

目前废菌棒的资源化利用方式主要有三种：一是制成肥料，通过微生物作用将废菌棒中难被利用的物质转化为可被利用的营养物质，再次用于栽培和种植；二是作为辅助性家畜饲料，与豆粕，麸皮等主要饲料混合使用，降低饲料成本；三是用于生产机制木炭和生物煤。

微生物燃料电池是一种以产电微生物为阳极催化剂将有机物中的化学能直接转化为电能的装置，在废水处理和新能源开发领域具有广阔的应用前景。如果能将废菌棒的资源化处理与微生物燃料电池的能源化有机结合，将非常有现实意义。因此，开发一种全新的废菌棒碳阳极的制备方法，既提高废菌棒的经济价值，又减少了环境污染，同时带来能源转化效益，一举三得，具有非常高的实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种废菌棒碳阳极的制备方法及应用。

本发明所采取的技术方案是：

一种废菌棒碳阳极的制备方法，包括以下步骤：

（1）将废菌棒烘干、粉碎、过筛；

（2）将废菌棒干粉碾压成片；

（3）压片于厌氧条件下碳化，得到废菌棒碳电极。

在废菌棒干粉中按0～20%的重量比混合椰子壳粉后碾压成片，废菌棒干粉、椰子壳粉为60～80目，水分含量≤10%，碾片时施加压力为10～30MPa。

作为优选的，碾片时施加压力为20MPa。

碳化温度为800～900 ℃，碳化时间为2～3 h。

本发明的有益效果是：

与传统碳刷阳极相比，本发明制备的废菌棒碳阳极应用于微生物燃料电池中，其最大功率密度能提高1倍以上。

本发明提供的废菌棒碳阳极制备方法简单、省去了复杂的盐酸浸洗步骤，且原材料成本低廉、适于大规模工业化生产，为废菌棒的资源化利用提供了全新的应用模式。

附图说明

图1：废菌棒碳阳极的制备流程示例图；

图2：不同压片压力下，废菌棒碳阳极的SEM图(100倍，A：10MPa，B：20MPa)；

图3：微生物附着于废菌棒碳阳极的电镜图(10000倍)；

图4：不同碳阳极应用于微生物燃料电池的产电曲线；

图5：不同碳阳极应用于微生物燃料电池的功率密度曲线。

具体实施方式

具体实施例仅是对本发明的解释，并非对本发明保护范围的限制。

实施例1

以海鲜菇废菌棒为原料制备废菌棒碳阳极，具体步骤如下：

（1）将海鲜菇废菌棒于60℃烘干至水分含量≤10%，粉碎至60目；

（2）取3g过筛后的海鲜菇废菌棒粉末放置于内径为3cm的不锈钢模具中，用压片机分别在10、20 MPa下碾压成片；

（3）将压片放置于管式炉中，900 ℃厌氧高温碳化，碳化时间为2 h，得到海鲜菇废菌棒碳阳极。

本实施例制备流程见图1，实验前菌棒粉末颜色为黄土色，压片碳化后颜色变成黑色，且片粒成型良好，碳化后无碎裂。

不同压片压力下，制备的废菌棒碳电极的电镜图见图2。其中，图2A为压片压力10MPa下制备的废菌棒碳电极，图2B为压片压力20MPa下制备的废菌棒碳电极，可见20MPa和10MPa的压片压力均能使制备的废菌棒碳阳极成型良好，20MPa下的裂痕少，致密度更佳。裂痕位置不生长微生物，故裂痕少的电极更有利于微生物燃料电池的产电性能。

实施例2

以银耳废菌棒和椰子壳为原料制备废菌棒碳阳极，具体步骤如下：

（1）将银耳废菌棒于60 ℃烘干至水分含量10%以下，粉碎至80目；

（2）将椰子壳剪成5.0 cm × 1.5 cm × 0.5 cm，于60℃烘干至水分含量10%以下，粉碎至80目筛；

（3）将过筛后的银耳废菌棒粉与椰子壳粉按0、10%、20%的质量比混合，取3g的混合物置于内径为3cm的不锈钢模具中，用压片机在20MPa下碾压成片；

（4）将压片放置于管式炉中，进行800 ℃厌氧高温碳化，碳化时间为3 h，获得三种银耳废菌棒碳阳极。

实施例3

不同废菌棒碳阳极在微生物燃料电池中的应用，具体操作如下：

（1）单室微生物燃料电池的构建：

电池室为6 cm × 6 cm × 4 cm的长方体有机玻璃，中间挖空出直径为3 cm，高度为4 cm的圆柱体，内部有效容积为28 mL。

阴电极为载铂碳布，其制作过程如下：先将碳布进行30%的PTFE疏水化处理，然后在其中一面涂上碳基层，在另一面涂上4层PTFE空气扩散层，最后在扩散层的相反面涂上铂催化层，铂用量为0.5 mg/m²，圆形，有效面积为 7 cm²(直径 3 cm)，以空气为阴极电子受体。

阳电极分别采用实施例1在20MPa下制备的海鲜菇废菌棒碳阳极、实施例2制备的3种银耳废菌棒碳电极、盐酸浸洗后的废菌棒碳电极、碳刷阳极。其中盐酸浸洗后的废菌棒碳阳极的制作过程是：将实施例1制备的废菌棒碳阳极冷却到25℃，用质量分数为5%的盐酸溶液浸洗20min后、经水洗、干燥至含水量≤10%。

（2）单室微生物燃料电池的运行

接种5 mL厌氧污泥(取自福州市金山污水处理厂)和23 mL乙酸钠基质启动运行。乙酸钠基质成分如下：NaH₂PO₄·2H₂O(2.77 g/L)，Na₂HPO₄·12H₂O(11.40 g/L)，NH₄Cl(0.31 g/L)，KCl(0.13 g/L)，维生素溶液(12.5 mL/L)和微量元素溶液(12.5 mL/L)。

将微生物燃料电池置于30℃恒温箱中培养，产电电压采用数据采集系统(Keithley 2700，美国)每15分钟采集一次电池外阻(R=1000Ω)两端的电压信号，绘制产电曲线；待稳定后，电镜观察微生物附着于废菌棒碳阳极上的情况；在电池达到稳定阶段，从50Ω到2000Ω改变电池外阻，记录每一外阻对应的电压。

微生物附着于废菌棒碳阳极的SEM图如图3所示，可见大量微生物吸附于废菌棒碳阳极上。

微生物燃料电池运行的产电曲线和功率密度曲线结果如图4、图5所示，与传统的碳刷电极相比较，海鲜菇废菌棒碳阳极和银耳废菌棒碳阳极的电压和功率密度均显著优于传统碳刷阳极，其中最大功率密度达832 mW/m²，为传统碳刷阳极的2.4倍；该结果亦优于有盐酸浸洗步骤制得的废菌棒碳阳极(最大功率密度735 mW/m²)，说明本发明可省去传统工艺中复杂的盐酸浸洗步骤，操作更简便。

采用银耳废菌棒制备的碳阳极均有较高的产电电压和功率密度，其中添加20%的椰子壳制得的银耳废菌棒碳阳极844 mW/m²)和添加10%椰子壳的银耳废菌棒碳阳极最大功率密度(849 mW/m²)优于未添加椰子壳的银耳废菌棒碳阳极最大功率密度(828 mW/m²)，说明添加椰子壳对制备的废菌棒碳阳极的产电有促进作用。