微生物燃料電池(Microbial fuel cells,MFCs)利用微生物降解水中的有機物,同時將化學能轉化成電能,因此在水污染控制及資源化領域受到了廣泛關注。離子交換膜作為雙室微生物燃料電池重要的陰陽極分隔材料,在電池運行過程中起著重要的作用。然而針對以離子交換膜為分隔材料的MFC不同條件下(如不同離子型膜、不同陰極條件、不同的結構參數等)的性能差異及影響因素卻沒有系統(tǒng)的研究。研究了不同離子型的離子交換膜對MFC的影響。以石墨氈為陰陽電極,鐵氰化鉀緩沖溶液為陰極電子受體,分別比較了以氫型陽離子交換膜(CEM-H).鈉型陽離子交換膜(CEM-Na)、氫氧根離子型陰離子交換膜(AEM-OH)及氯型陰離子交換膜(AEM-Cl)四種離子交換膜為分離膜的MFC電化學特性。結果表明：CEM-H電導率遠高于CEM-Na, AEM-OH電導率高于AEM-Cl。在電池運行初期CEM-H、AEM-OH分別展現了比相應的CEM-Na、AEM-Cl更好的電化學性能包括更高的功率輸出、更低的內阻。其中CEM-H對應的MFC最先于77小時達到最大電壓,且最大功率密度Pmax可達899mW/m2。以AMI-7001為分隔膜的MFC在鐵氰化鉀緩沖液陰極條件下會發(fā)生膜污染,增大了膜傳質阻抗,降低了MFC的產電性能。研究了MFC陰極運行條件與MFC性能的關系。分別讓MFC依次在鐵氰化鉀陰極、曝氣式緩沖液陰極、曝氣式自來水陰極穩(wěn)定運行,并分析其各自電化學特性。結果顯示：鐵氰化鉀陰極MFC電壓極化主要受陽極極化控制,空氣陰極的電壓極化主要由陰極極化控制。對于緩沖液空氣陰極,曝氣速率由0.9mL/s提升至1.8mL/s,使得受污染的AEM膜傳質阻抗由29.06Ω降低至8.77Ω。同時降低了MFC陰極過電位,減小了活化損失。以自來水空氣陰極代替緩沖液空氣陰極增大了MFC的歐姆阻抗和有限擴散阻抗。降低了MFC的電壓輸出和功率輸出。分析了膜面積、陽極距離膜間距等因素對MFC性能的影響。結果表明：MFC功率密度隨著分離膜面積的增大而增大,內阻隨著分離膜面積的增大而越小,其中包括歐姆阻抗的減小,以及極化阻抗的減小。隨著陽極-膜距離拉近,MFC顯示出更小的內阻及更好的陽極電化學活性,致使產電功率增大。
【學位單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：X703;TM911.45
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究背景
    1.2 微生物燃料電池的應用現狀
    1.3 微生物燃料電池的工作原理
    1.4 MFC的特點
    1.5 MFC的分類
    1.6 MFC的結構
        1.6.1 陽極材料
        1.6.2 陰極材料
        1.6.3 分隔膜材料
    1.7 影響MFC性能的主要因素
        1.7.1 產電微生物
        1.7.2 陽極底物
        1.7.3 陰極電子受體
        1.7.4 質子的遷移
        1.7.5 操作條件
    1.8 研究的目的和意義
    1.9 本課題的主要內容
第2章 實驗材料及測試方法
    2.1 實驗試劑與儀器
    2.2 菌種的培養(yǎng)
    2.3 微生物燃料電池的構建
    2.4 離子交換膜的準備
    2.5 膜及電池的測試
        2.5.1 離子交換容量
        2.5.2 吸水率
        2.5.3 質子電導率
        2.5.4 電壓測試
        2.5.5 循環(huán)伏安法測試
        2.5.6 交流阻抗法測試
        2.5.7 極化曲線測試
        2.5.8 庫倫效率測試
        2.5.9 pH值測試
        2.5.10 掃描電鏡測試（SEM）
第3章 不同類型的離子交換膜在MFC中的性能及電化學研究
    3.1 引言
    3.2 實驗部分
        3.2.1 離子交換膜的處理
        3.2.2 實驗MFC系統(tǒng)的設計與運行
    3.3 結果與討論
        3.3.1 膜基本性質參數
        3.3.2 MFC的啟動
        3.3.3 MFC的極化曲線及最大功率密度
        3.3.4 MFC的電池阻抗分析
        3.3.5 電池的pH值變化及庫倫效率
    3.4 本章小結
第4章 不同陰極運行條件下MFC的性能研究
    4.1 前言
    4.2 材料與方法
        4.2.1 微生物燃料電池系統(tǒng)的構建
        4.2.2 實驗的設計和運行
    4.3 結果與討論
        4.3.1 MFC運行過程中的電壓變化
        4.3.2 不同陰極運行條件下的極化曲線及功率密度曲線
        4.3.3 MFC電極電位極化
        4.3.4 EIS分析不同陰極運行條件下MFC阻抗
    4.4 本章小結
第5章 不同結構參數下MFC性能的影響
    5.1 前言
    5.2 不同膜面積對MFC影響
        5.2.1 對MFC啟動的影響
        5.2.2 極化曲線和功率密度曲線
        5.2.3 電化學阻抗測試
        5.2.4 陽極pH值變化
    5.3 陽極與膜間距對MFC的影響
        5.3.1 極化曲線及功率密度曲線
        5.3.2 陽極cv曲線
        5.3.3 電化學阻抗測試
    5.4 本章小結
第6章 結論
致謝
參考文獻
附錄

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本文編號：2862864