【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFCs)能夠在處理污水的同時(shí),將有機(jī)物中蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,是一種新型的低能耗的水處理技術(shù),成為近年來環(huán)境領(lǐng)域和能源回收領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前電極材料成本過高和產(chǎn)電性能偏低是制約MFC實(shí)際應(yīng)用的主要因素。陽極是影響細(xì)菌生長、電子傳遞以及底物供應(yīng)的關(guān)鍵因素,因此,亟需開發(fā)一種高性能、低成本的陽極材料�？諝怅帢O是MFC主要采用的陰極形式,但氧氣還原(ORR)催化劑的性能和價(jià)格成為空氣陰極應(yīng)用的限制因素之一。本文以剩余污泥為碳材料前驅(qū)體材料,采用簡單易行的方法制備了低成本、高性能的污泥基電極和污泥基復(fù)合空氣陰極,在降低電極成本的同時(shí)使MFC的功率輸出達(dá)到較高水平,為推動(dòng)MFC在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。(1)以剩余污泥作為電極材料唯一前驅(qū)體材料,采用在氮?dú)獗Ｗo(hù)下直接碳化的方法制備了污泥基電極,考察了碳化溫度對(duì)電極產(chǎn)電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,碳化溫度增加有利于提升電極的產(chǎn)電性能,當(dāng)碳化溫度在1200℃時(shí),污泥基電極的石墨化程度最高,電極表面積最大,電極中碳含量比例和電極導(dǎo)電率最高。以1200℃碳化的污泥基陽極電極(SSC1200)運(yùn)行的MFC最大輸出功率為2920mWm-2,分別是SSC600電極、SSC800電極和SSC1000電極的輸出功率密度的2.5倍、1.3倍和1.2倍,是商業(yè)化石墨電極的輸出功率密度的5倍。因此,最優(yōu)的污泥基電極碳化溫度為1200℃。(2)基于上述最優(yōu)污泥基碳化條件下,將工業(yè)廢棄物飛灰為粘合劑按照20%,40%,60%和80%的比例摻入污泥基電極中強(qiáng)化電極性能,研究了其在MFC的性能,并對(duì)制備的電極做了系列材料學(xué)表征。掃描電鏡結(jié)果顯示,與未摻入飛灰的污泥電極相比,摻有飛灰的污泥電極表面有洋蔥碳生成,有利于電子傳遞,從而提升電極產(chǎn)電性能。污泥電極中摻入飛灰能顯著提高電極的親水性,有利于產(chǎn)電微生物的附著生長。此外,污泥電極中摻入飛灰后機(jī)械強(qiáng)度提高了約19倍。電極產(chǎn)電性能測(cè)試結(jié)果顯示,以飛灰摻入比為20%的污泥碳基電極構(gòu)建的MFC,獲得的最大的輸出功率密度達(dá)3210mWm-2,相比于純污泥碳基電極提高了 21%。在污泥電極中摻入飛灰,有助于提高污泥電極的產(chǎn)電性能,作為MFC陽極電極具有巨大的應(yīng)用潛力。(3)以剩余污泥為碳前驅(qū)體,通過水熱共摻雜Mn、N法成功制備了一種新型的污泥碳基空氣陰極,構(gòu)建MFC,研究其產(chǎn)電性能。EDS和XPS表征結(jié)果顯示,Mn和N原子成功的均勻摻雜入碳骨架中。線性伏安掃描結(jié)果表明Mn、N共摻雜的協(xié)同效應(yīng)更進(jìn)一步提高了空氣陰極的ORR催化性能。Mn-N/SC空氣陰極具有優(yōu)異的ORR催化性能,輸出功率密度達(dá)1120mWm2,與同體系下的Pt/C催化劑構(gòu)建的空氣陰極的產(chǎn)電性能(1240 mW m-2)相當(dāng),有望成為擴(kuò)大化應(yīng)用的空氣陰極。
【圖文】：

１．２微生物燃料電池逡逑１．２．１基本原理及分類逡逑ＭＦＣ主要由陽極、陰極和分隔材料三部分構(gòu)成［２４］，如圖１．１所示。產(chǎn)電微逡逑生物附著在陽極電極表面，陰極電極表面負(fù)載催化劑粉末或者附著微生物。在外逡逑部，陰極電極和陽極電極通過外接導(dǎo)線連接至外部負(fù)載。在ＭＦＣ內(nèi)部，通過分逡逑隔材料將ＭＦＣ裝置分為陽極室和陰極室。在陽極室中，負(fù)載在陽極電極上的產(chǎn)逡逑電微生物氧化有機(jī)物，釋放出電子和質(zhì)子。電子通過外接電路傳導(dǎo)至陰極，質(zhì)子逡逑．在電場作用下穿過分隔材料進(jìn)入陰極室。在陰極室中，通過催化劑的催化作用下，逡逑電子受體接受傳導(dǎo)至陰極的電子，與溶液中的質(zhì)子相結(jié)合。分隔材料一般為質(zhì)子逡逑膜和離子膜，可以將陽極室中的有機(jī)物和陰極室中的電子受體分隔，提高ＭＦＣ逡逑電子轉(zhuǎn)換效率。逡逑２

⑴碳基電極逡逑目前研宄報(bào)道最多的陽極材料主要為碳材料，包括碳紙、玻璃碳、石墨氈、逡逑石墨板、碳布、碳刷等［３５，３８，３９，４（）］，，如圖１－２。從商業(yè)化的角度而言，由于成本低、逡逑導(dǎo)電性高、有效面積大，微生物易于附著等優(yōu)勢(shì)，碳布和碳刷被認(rèn)為是最具有應(yīng)逡逑５逡逑
【學(xué)位授予單位】：浙江工商大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.45;X703

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2678976