微生物燃料電池（Microbial fuel cell,簡稱MFC）是一種以細菌產(chǎn)出電能的新型技術(shù),具備電化學活性的細菌附著于陽極之上,作用于底物所產(chǎn)生的電子經(jīng)過外電路傳遞至陰極,并最終與電子受體結(jié)合形成回路。在產(chǎn)生電能的同時,細菌通過分解基質(zhì),實現(xiàn)了污染物的脫除,因此該技術(shù)在緩解能源危機和水環(huán)境污染方面具有重要影響。在經(jīng)歷了實驗室階段的機理與參數(shù)優(yōu)化研究后,MFC技術(shù)開始朝擴大化實際應用方向發(fā)展,主要針對制約商業(yè)化的性能優(yōu)化和成本管控等問題開展研究。在實驗室擴大化研究中,所涉及的裝置體積在1L到100L不等,產(chǎn)電功率在0.2-200W/m3以內(nèi),但研究較少兼顧經(jīng)濟性能與運行性能,未接入可靠儲能設(shè)備開展電能利用實驗,因此離實際規(guī)模應用有一定距離。本論文針對此類問題,構(gòu)建了合適的可擴大化的MFC堆棧構(gòu)型,結(jié)合自主設(shè)計的儲能電路研究不同構(gòu)型、不同連接方式等對MFC堆棧運行性能的影響,最終形成可靠的MFC堆棧工藝方案。設(shè)計并制作了兩種不同構(gòu)型的MFC單電池,包括寬式MFC和窄式MFC。在啟動后60天進行性能測試,發(fā)現(xiàn)寬式MFC的最大功率密度（Pmax）為55.12W/m3,對應的絕對功率約為... 

【文章來源】：浙江大學浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

微生物燃料電池工作原理（以氧氣為電子受體為例）

浙江大學碩士學位論文第一章緒論61.4.3MFC擴大規(guī)模后研究進展良好的MFC實用裝置應該包括高的功率輸出、運行方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等特點，在功率輸出性能提升方面主要通過降低內(nèi)阻的方式實現(xiàn)。由于單個MFC內(nèi)阻較大，廢水處理能力有限，并且隨著單電池體積的增大，電池功率密度反而逐漸減小，這種規(guī)律決定了MFC的放大應該是將多個相同的單電池以合理方式組合起來，即進行MFC堆棧，包括多個電池間的堆棧技術(shù)和單個電池內(nèi)部的多電極堆棧技術(shù)。目前在MFC擴大規(guī)模后的研究主要包括以下幾個方面：一方面是對不同構(gòu)型的MFC運行性能的研究；一方面是對MFC電路和水路連接方式的研究；以及實際現(xiàn)場開展的中試研究。采用評價單元電池運行性能、堆棧電池運行性能、電池能量回收情況以及系統(tǒng)經(jīng)濟效益等方式，來判斷MFC擴大規(guī)模后運行效果好壞，確定較好的擴大化技術(shù)。1.4.3.1反應器構(gòu)型微生物燃料電池的基本構(gòu)型包括“H”構(gòu)型、水平分層構(gòu)型、管式構(gòu)型和平板式構(gòu)型，但不同構(gòu)型的擴大化潛力有所差異。經(jīng)過設(shè)計與實驗研究，目前較為認可的具備擴大化條件的構(gòu)型主要是管式和平板式構(gòu)型。進行構(gòu)型設(shè)計實現(xiàn)擴大化后的研究較多，驗證并改善了不同構(gòu)型擴大化的性能。圓管式微生物燃料電池（Tubularmicrobialfuelcell,T-MFC），該管式構(gòu)型在構(gòu)建MFC污水處理系統(tǒng)時優(yōu)勢較為明顯，一般情況下電池框架材料為尼龍圓管或PVC，圓管內(nèi)外分別布置陰陽極（圖1-2）。T-MFC在構(gòu)型上的優(yōu)勢主要是材料易得、結(jié)構(gòu)簡單、具有較大的陰極比表面積、模塊連接方便、運行時均勻性較好，因此適合以堆棧方式構(gòu)建大型處理系統(tǒng)。圖1-2管狀反應器結(jié)構(gòu)示意（a，陰極在圓管外部；b，陽極在圓管外部）

浙江大學碩士學位論文第一章緒論7以T-MFC為反應裝置進行研究的案例較多。Scott以其設(shè)計的T-MFC單體處理農(nóng)場糞便廢水[32]，可獲得的最大功率密度為30mW/m2。該單體高為1.8m，容積為2.5L，碳布做陽極材料，與碳布生物陰極配合，分別置于圓管外側(cè)和內(nèi)側(cè)，分隔材料是多孔尼龍管（圖1-3a）。此外，Zhuang等人[25]還構(gòu)建了碳氈作為陽極布置在管內(nèi)，熱壓空氣陰極與質(zhì)子交換膜組件布置在管外的1.5L管狀反應器（圖1-3b），提升了輸出功率。GeZheng等人[33]使用96個相同的管狀MFC單元（圖1-3c），構(gòu)建了總體積約200L的系統(tǒng)，系統(tǒng)運行時獲得130mW的能量以及79%的COD脫除率。該系統(tǒng)在維持水泵運行之外，還能獲得0.006kWh/m3的凈產(chǎn)能。為了進一步實現(xiàn)工業(yè)應用，前人在規(guī)模擴大、運行模式上更加貼近實際，Zhang等人[34]利用容積為2L的T-MFC（圖1-3d）處理來自初沉池的污水，水力停留時間在11h時，COD脫除率達到65%-70%，裝置運行產(chǎn)能足夠支撐MFC運行能耗。圖1-3管式構(gòu)型MFC反應器擴大化舉例考慮到實際污水運行狀態(tài)時，管式構(gòu)型仍然有不足之處，如單體放大較困難、堆棧時單元底部承壓較大等，因此可能需要較高強度的支撐結(jié)構(gòu)作為輔助。對于較大容積的MFC擴大化，平板構(gòu)型相對管式構(gòu)型的優(yōu)勢便較為明顯。平板結(jié)構(gòu)具備較優(yōu)越的擴大化潛力（圖1-4），主要原因是能通過堆棧實現(xiàn)三維方向上的延

【參考文獻】：
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3212133