本文關(guān)鍵詞：MFC串并聯(lián)提高產(chǎn)電效率及加速處理重金屬?gòu)U水相關(guān)性能研究

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【摘要】：當(dāng)前我國(guó)的環(huán)境污染問(wèn)題十分突出,同時(shí)伴隨著環(huán)境污染而生的能源短缺也同樣不容小覷。如果能從污染物中回收資源,或在解決污染的同時(shí)產(chǎn)生能源,這將能同時(shí)緩解我國(guó)的環(huán)境污染和能源短缺兩大問(wèn)題。微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFC)是一個(gè)能將污染轉(zhuǎn)化為能源的先進(jìn)技術(shù),如果將污染物作為陰極電子受體(如重金屬),便可實(shí)現(xiàn)兩種污染物質(zhì)同時(shí)去除并產(chǎn)生電能,因此可以利用MFC技術(shù)處理重金屬?gòu)U水。本文針對(duì)改進(jìn)MFC啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),或因產(chǎn)電不夠穩(wěn)定、處理重金屬速率低下等問(wèn)題,采用串并聯(lián)的研究手段,研究了串并聯(lián)的運(yùn)行模式下MFC的產(chǎn)電性能以及對(duì)重金屬的去除效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：(1)通過(guò)間歇并聯(lián)的連接模式成功加速M(fèi)FC的啟動(dòng)速率。從開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)對(duì)照組要經(jīng)過(guò)10天后才會(huì)產(chǎn)生較低的電壓(100 mV以下),但間歇并連運(yùn)行的MFC,在并聯(lián)階段的最大電壓可達(dá)到467 mV,在解除并聯(lián)后的第三天電壓開(kāi)始呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),基本間歇并連15天后實(shí)驗(yàn)組的MFC電壓趨于穩(wěn)定,在15天時(shí),不再實(shí)施間歇并連,電壓仍然能夠達(dá)到持續(xù)穩(wěn)定在170±3 mV,在本研究中所使用的雙室MFC(陰極電子受體不同)使用間歇并聯(lián)的模式可以將啟動(dòng)時(shí)間縮短5-7天左右。(2)通過(guò)對(duì)同種濃度和pH下的三種化學(xué)陰極進(jìn)行比較篩選(KMnO4、 K3[Fe(CN)6]、K2Cr2O7),KMnO4以其較低的生物毒性和較高的產(chǎn)電效率,成為串聯(lián)階段電源補(bǔ)給MFC的陰極電子受體。并進(jìn)一步對(duì)KMnO4陰極運(yùn)行條件進(jìn)行優(yōu)化,pH為3時(shí)KMnO4-MFC電壓隨著KMnO4濃度的增大(濃度依次為0.5,1.0,2.0 g/L)而增加。(3)通過(guò)KMnO4-MFC與Cu-MFC串聯(lián),前者產(chǎn)生的較高電壓為后者提供電壓和功率補(bǔ)給,加速處理含銅廢水過(guò)程并獲得額外電能。二者串聯(lián)能夠明顯加快Cu-MFC對(duì)Cu2+的回收速率,串聯(lián)時(shí)Cu2+的回收率可達(dá)98%,24 h回收率可達(dá)91.7%,與單獨(dú)Cu-MFC相比速率提高一倍。二者串聯(lián)后,在加速銅回收過(guò)程的同時(shí)還能獲得額外的電能,其最高輸出功率可達(dá)143 mW；(4)通過(guò)使用間歇式無(wú)功率輸出并聯(lián)模式,加速重金屬污水在MFC陰極的去除。陽(yáng)極在序批式培養(yǎng)模式下,可彌補(bǔ)因電壓動(dòng)力不足造成的重金屬去除效率低下的問(wèn)題,通過(guò)間歇并聯(lián)后的MFC重金屬20 h內(nèi)去除率提高了1.75倍。經(jīng)過(guò)間歇并聯(lián)后的MFC,恢復(fù)串聯(lián)10 h后的重金屬平均去除率便可達(dá)到67%,串聯(lián)時(shí)間達(dá)到20 h時(shí),Cu2+、Zn2+、Cd2+三種重金屬離子的去除效率分別達(dá)到91.5%,86.7%,和83.57%,未經(jīng)并聯(lián)模式的對(duì)照組MFC運(yùn)行20 h處理效率僅達(dá)到52.1%。運(yùn)行70 h后,重金屬平均去除率可達(dá)98%及以上。EIS掃描結(jié)果顯示,與單獨(dú)的MFC相比,在并聯(lián)條件下的陽(yáng)極具有更低的液界電阻,且隨著并聯(lián)時(shí)間的增加,陽(yáng)極的生物電容也隨之增加。
【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 串并聯(lián) 產(chǎn)電效率 重金屬?gòu)U水處理 處理速率
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：X703;TM911.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 緒論15-31
• 1.1 研究背景及意義15-17
• 1.1.1 研究背景15-16
• 1.1.2 研究意義16-17
• 1.2 MFC原理17-24
• 1.2.1 MFC結(jié)構(gòu)與材料18-20
• 1.2.2 MFC熱力學(xué)可行性分析20-21
• 1.2.3 MFC標(biāo)準(zhǔn)電極電位21
• 1.2.4 MFC的影響因素及原因21-23
• 1.2.5 MFC測(cè)量評(píng)價(jià)方法23
• 1.2.6 MFC電子傳遞方式23-24
• 1.3 MFC發(fā)展過(guò)程及研究現(xiàn)狀24-26
• 1.4 MFC技術(shù)處理重金屬?gòu)U水已有研究及不足26-27
• 1.5 本課題來(lái)源及研究?jī)?nèi)容27-31
• 1.5.1 課題來(lái)源27
• 1.5.2 主要研究?jī)?nèi)容27-28
• 1.5.3 技術(shù)路線(xiàn)28-31
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料、評(píng)價(jià)方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)31-39
• 2.1 實(shí)驗(yàn)所需材料與反應(yīng)器的組裝及測(cè)試31-33
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)所需材料和儀器31
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置的組裝31-32
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)試32-33
• 2.2 MFC性能評(píng)價(jià)及計(jì)算方法33-37
• 2.2.1 庫(kù)倫效率33-34
• 2.2.2 功率密度34
• 2.2.3 極化曲線(xiàn)34-35
• 2.2.4 功率曲線(xiàn)35
• 2.2.5 電化學(xué)交流阻抗(EIS)35-36
• 2.2.6 重金屬去除率36
• 2.2.7 電極表面電鏡掃描(SEM)36-37
• 2.3 MFC的接種與啟動(dòng)37-38
• 2.4 MFC的連接方法及反應(yīng)周期設(shè)計(jì)38-39
• 第三章 MFC陰極電子受體篩選39-43
• 3.1 反應(yīng)器的接種與啟動(dòng)39
• 3.2 電子受體原理簡(jiǎn)介39-40
• 3.2.1 KMnO_4電子受體39-40
• 3.2.2 K_3[Fe(CN)_6]電子受體40
• 3.2.3 K_2Cr_2O_7電子受體40
• 3.3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)40-41
• 3.4 本章小結(jié)41-43
• 第四章 MFC串聯(lián)加速銅離子回收43-49
• 4.1 串聯(lián)補(bǔ)給式MFC加速處理含銅廢水的設(shè)計(jì)與運(yùn)行43-44
• 4.2 高錳酸鉀濃度對(duì)峰功率密度和峰電壓的影響44-45
• 4.3 電極的EIS分析45
• 4.4 雙MFC串聯(lián)對(duì)銅的回收率45-47
• 4.5 雙MFC串聯(lián)對(duì)Cu-MFC的加速作用47-48
• 4.6 本章小結(jié)48-49
• 第五章 間歇式并聯(lián)對(duì)MFC啟動(dòng)過(guò)程的加速作用49-53
• 5.1 對(duì)銅陰極的MFC啟動(dòng)的加速作用49-50
• 5.2 對(duì)鋅陰極的MFC啟動(dòng)的加速作用50-51
• 5.3 對(duì)鎘為陰極的MFC啟動(dòng)的加速作用51
• 5.4 本章小結(jié)51-53
• 第六章 雙MFC間歇并聯(lián)提高回收速率的研究53-67
• 6.1 無(wú)功率輸出式間歇并聯(lián)MFC的設(shè)計(jì)與運(yùn)行53-54
• 6.2 連續(xù)流條件下間歇并聯(lián)對(duì)MFC產(chǎn)電性能影響54-56
• 6.3 序批式條件下間歇并聯(lián)對(duì)MFC產(chǎn)電性能影響56-57
• 6.4 不同陰極電子受體MFC電化學(xué)阻抗(EIS)分析57-60
• 6.5 MFC陰極去除Zn~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)的效率60-61
• 6.6 陰極電極電競(jìng)掃描(SEM)61-64
• 6.7 本章小結(jié)64-67
• 第七章 結(jié)論與展望67-69
• 7.1 結(jié)論67
• 7.2 展望67-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 致謝73-75
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文75-77
• 作者和導(dǎo)師簡(jiǎn)介77-78
• 附件78-79

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