發(fā)布時間：2018-03-17 21:19

  本文選題：微生物燃料電池　切入點：電化學活性細菌　出處：《重慶大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：近年來,微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)由于能在處理污水的同時并產生電能,吸引了許多研究者的關注。MFC是一種有前景的發(fā)電技術,它通過微生物氧化有機物和生物質可以直接將化學能轉變成電能。然而,低的功率輸出卻成為MFC實際應用的瓶頸。陽極性能對MFC的整體性能有著重要的影響,在眾多MFC性能限制因素中,陽極材料是一個重要因素,因為陽極材料能影響細菌生長、電子傳遞以及底物供應。因此,一種高性能陽極材料需要被開發(fā)。本文采用高效簡單且耗能較少的電化學氧化的方式對碳布進行預處理,研究了這種預處理方式加速陽極電子轉移的機理;針對實際堿性污水處理過程中p H的改變,提出了更加適合處理堿性污水的細菌的培養(yǎng)方式,研究了該培養(yǎng)方式下的生物膜電化學特性、陽極表面活性生物量、陽極內阻以及MFC輸出功率特性;針對靜止螺旋碳纖維刷陽極內部底物和代謝產物擴散傳輸速率較慢,采用旋轉螺旋碳刷陽極的方式,強化了陽極內部與主流區(qū)的傳質過程,研究了螺旋碳刷陽極對陽極底物擴散阻力、陽極生物膜活性和MFC輸出功率的影響;通過高溫碳化和堿處理等方式研究了陽極電極材料的循環(huán)再利用性能;此外,考慮到碳纖維刷內層空間的孔隙過小,研究了均勻分布的疊片式金屬網陽極的MFC在不同底物流速、不同底物濃度下的COD去除效率以及產電特性;基于天然竹炭具有高的表面積、強的生物相容性和吸附能力,構建了以竹炭管為陽極材料的MFC,并考察了多根竹炭管陽極的輸出功率;隨后分別對竹炭管陽極的內徑和長度進行了優(yōu)化研究,考察了不同內徑和不同長度管狀電極內部生物膜的電化學特性、傳質阻力、長期運行的穩(wěn)定性以及生物膜的分布;基于絲瓜絡的多層次孔隙結構,實驗中驗證了碳黑沉積的絲瓜絡為陽極材料的MFC產電的可行性,并通過對絲瓜絡表面覆蓋的炭黑進行預處理,對比研究了碳黑的不同的預處理方式對電極材料表面電化學活性面積、生物膜表面形貌、陽極內阻和MFC產電性能的影響。本文主要結論如下:(1)本實驗提出了四種不同的碳布陽極表面的修飾方式,包括氨水浸泡(CC-A)、磷酸緩沖液電解(CC-P)、硝酸電解(CC-N)和先硝酸電解隨后氨水浸泡(CC-NA),并對比了以四種不同方式處理后的碳布作為陽極的MFC的性能。實驗結果表明,所有的陽極修飾都有利于MFC性能的提升,以CC-NA處理的碳布陽極MFC產生的最大輸出功率密度為3.20±0.05 W m-2,它分別比CC-C MFC(2.01±0.02 W m-2)、CC-A MFC(2.35±0.15 W m-2)、CC-N MFC(2.38±0.02 W m-2)和CC-P MFC(2.50±0.08 W m-2)高出58%、36%、35%和28%。陽極的活性生物量和EIS分析結果表明,CC-NA MFC具有最高的功率輸出的主要原因在于碳布的CC-NA使得陽極表面引入了醌型官能團,加速了電子的傳輸,而不是由于活性生物量的多少決定的。CC-NA的碳布表面的傅里葉紅外光譜和X射線光電子能譜分析進一步表明,碳布表面形成的醌型官能團加速了陽極表面與電化學活性微生物之間的電子傳遞速率,從而增強了CC-NA MFC功率的輸出。(2)研究在堿性底物培養(yǎng)下雙室MFC的產電特性和COD去除效率。分別采用底物p H恒定為7和9以及在7-8-9-8-7之間循環(huán)的方式對微生物進行培養(yǎng),它們分別記為MFC-p H7、MFC-p H9以及MFC-p HV。實驗結果表明,MFC-p HV具有最高輸出功率2554±159 m W m-2,通過陽極循環(huán)伏安法,活性生物量以及電化學阻抗的測試,發(fā)現MFC-p HV的生物膜具有最好的電化學活性以及最小的內阻。相比MFC-p H7和MFC-9,MFC-p HV陽極表面的生物膜對p H的變化具有更強的適應性,因此其COD去除率也最高。(3)考察了通過碳纖維刷陽極的旋轉增強MFC的功率輸出。具有旋轉陽極的MFC能夠達到最大輸出功率密度210±3 W m-3,以及相應最大輸出電流密度945±43 A m-3,相比靜止碳刷陽極的MFC,其最大輸出功率密度和最大輸出電流密度分別提高了1.4倍和2.7倍。碳刷陽極旋轉前后的電化學阻抗測試和循環(huán)伏安掃描結果表明,碳刷陽極的旋轉強化了物質向螺旋空間的傳輸。此外,陽極的Tafel分析表明了旋轉陽極也能夠改善生物膜的電化學活性。(4)針對MFC中碳纖維刷陽極的再利用問題,對使用過碳纖維刷電極分別進行了高溫碳化及堿處理,考察了不同處理方法對MFC電池性能的影響。實驗結果表明:對于MFC的工程利用,高溫碳化是實現碳纖維刷陽極重復利用的有效方法。相比原碳刷,高溫碳化后的碳纖維刷陽極MFC啟動加快、傳荷內阻更小、輸出功率和COD去除效率得到提升。(5)采用均勻分布的金屬網疊片式陽極能提高生物膜的利用率,克服了碳刷陽極由于中間孔隙過小導致微生物不能生長的缺陷,相比同尺寸的碳刷陽極MFC,金屬網疊片式陽極MFC的輸出功率得到了提升。中間帶通孔的金屬網疊片式陽極進一步強化了底物在電極內部的傳輸,提高了陽極表面的生物量和生物活性,強化了MFC的產電性能和污水處理能力。(6)研究了將天然竹子碳化后的竹炭管作為MFC的陽極材料,并對其表面官能團、生物相容性及內阻進行了深入的研究。對比了分別以傳統(tǒng)石墨管和竹炭管作為陽極的MFC的性能,相比石墨管陽極,竹炭管陽極具有更粗糙的表面、較好的生物相容性及較小的內阻。此外,竹炭管的X射線光電子能譜分析表明,竹炭管表面的C-N鍵加速了生物膜與電極之間的電子傳遞速率。因此,竹炭管MFC較石墨管在最大輸出功率密度上提升了50%,而且通過多根竹炭管形成的管束陽極MFC實現了性能的提升。(7)以竹子碳化后的竹炭管作為MFC陽極材料,研究了竹炭管陽極內徑對MFC性能的影響并優(yōu)化了竹炭管陽極的內徑尺寸。啟動完成后,不同內徑(1 mm、1.5 mm、2 mm和3 mm分別標記為MFC-D1、MFC-D1.5、MFC-D2和MFC-D3)的竹炭管陽極導致了其輸出的電壓不同。在長期運行過程中(運行30天后),MFC-D2和MFC-D3可以保持穩(wěn)定的功率輸出,而MFC-D1和MFC-D1.5的最大輸出功率密度出現了較大幅度的下降。掃描電子顯微鏡和電化學交流阻抗圖譜分析結果表明,MFC-D1和MFC-D1.5的輸出功率密度下降是由于陽極表面致密且較厚生物膜導致了MFC內阻的增加。此外,相比其它陽極尺寸,MFC-D2具有最高的功率密度3303 W m-3,說明了內徑為2 mm的竹炭管陽極更有利于MFC電能的產生。(8)構建了以碳黑沉積的絲瓜絡為陽極材料的MFC,分別對比了絲瓜絡表面以硝酸浸泡和雙氧水浸泡處理后的碳黑修飾的陽極MFC的性能。陽極材料在亞鐵氰化鉀中的CV曲線表明,相比其它陽極,雙氧水處理的碳黑-絲瓜絡復合電極具有更好的電化學性能,以其作為MFC陽極材料時達到了最高的輸出功率密度61.7±0.6 W m-3。陽極表面的掃描電子顯微鏡結果表明,雙氧水處理的碳黑使得微生物能更緊密的附著在陽極表面。陽極的電化學交流阻抗和Tafel測試表明,碳黑經過雙氧水浸泡處理后加速了生物膜與陽極之間的電子傳遞速率。因此,以雙氧水處理的碳黑-絲瓜絡復合材料作為陽極的MFC的輸出功率能得到增強。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.45

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本文編號：1626507