【摘要】：隨著畜牧養(yǎng)殖業(yè)的高度集約化發(fā)展,大量畜禽廢物的堆積和排放引起了一系列的土壤污染、水污染等環(huán)境問題。為了解決生牛養(yǎng)殖帶來的牛糞污染問題,當前已經(jīng)開發(fā)了各類肥料化、飼料化、能源化的畜禽糞便處理技術(shù)。但經(jīng)過肥料化處理的牛糞仍含有病原微生物、抗生素等有害成分;而飼料化處理工藝一次性投資大、能耗高,易造成環(huán)境二次污染。相比而言,牛糞的能源化是未來的主要發(fā)展方向,目前能源化產(chǎn)物主要是沼氣,但該類技術(shù)受氣溫影響較大,運行穩(wěn)定性欠佳。近年來,一種新型能源化技術(shù)—微生物燃料電池,興起且得到廣泛關(guān)注。該技術(shù)可以直接利用微生物氧化有機物獲取電能,陽極材料是影響其產(chǎn)電性能的主要原因。目前,碳化廢棄物陽極因其優(yōu)異的生物兼容能力及廉價特性,受到越來越多關(guān)注。鑒于此,本研究以牛糞為原料,通過高溫碳化制備陽極材料,并將其應用于微生物燃料電池反應裝置中以獲取電能,實現(xiàn)牛糞的無害化和資源化。同時基于電極修飾改性和陽極電勢調(diào)控優(yōu)化等方法,考察牛糞陽極穩(wěn)定產(chǎn)電的可行性。論文的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)考察了不同碳化溫度(400,600,800和1000℃)對牛糞(CD)電極制備的影響,其中CD800比表面積最大(62.70m2 g-1),與未碳化CD相比,比表面積(0.36 m2 g-1)提高了 173倍。碳化溫度高于600℃制備的電極材料作為陽極,產(chǎn)電啟動時間僅需10小時,且電流均在啟動50小時內(nèi)達到穩(wěn)定,性能遠優(yōu)于市售石墨板電極;其中CD800輸出電流密度最高,達到11.74±0.41 A m-2。(2)在牛糞原料中摻入部分比例的碳酸氫鈉、面粉,再碳化制備的多孔特性的改性復合生物陽極,最大電流密度高達22 A m-2,是CD800的1.9倍;在CD800表面通過添加碳微粒、聚苯胺和中性紅涂層等方式進行陽極表面修飾優(yōu)化,碳微粒和聚苯胺修飾后陽極電流密度分別提升了 1.27倍和1.25倍,而中性紅表面修飾對CD800電極產(chǎn)電性能的提高作用不顯著。結(jié)果表明摻混復合改性優(yōu)化的CD800電極對于MFC產(chǎn)電性能的提升作用優(yōu)于表面涂層改性優(yōu)化的CD800電極。(3)考察了不同陽極電勢調(diào)控對CD800電極的產(chǎn)電性能和表面功能微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。在-0.45 V電勢調(diào)控下,反應器較難啟動。隨著調(diào)控電勢從-0.29 V增加至0.31 V時,CD800電極的最大電流密度也隨之提高,提高幅度與產(chǎn)電優(yōu)勢微生物Geobacter的增加比例基本一致,表明在這個電勢范圍內(nèi),電勢越正則越有利于產(chǎn)電微生物的富集。但當調(diào)控電勢增加至0.61 V時,CD800電極的產(chǎn)電性能未能進一步提高。在-0.45V～0.61V的電勢范圍調(diào)控下,CD800電極表面主要微生物在屬水平上有22種,其中產(chǎn)電微生物土桿菌屬(Geobacter)始終為優(yōu)勢菌群,含量在37%～72%;石墨電極表面主要微生物在屬水平上有31種,Geobacter含量為18～74%。結(jié)果表明電勢調(diào)控可以控制微生物在電極上的生長,對產(chǎn)電微生物Geobacter的群落豐度影響較大。
【圖文】：

本實驗中使用的ＭＦＣ反應器參照Ｇｕｏ等人的反應器設計＾］，由八個工作逡逑電極（ＷＥ，ＣＤ電極）構(gòu)成，共享相同的一個對電極（ＣＥ，碳氈）以及參比電逡逑極（ＲＥ，邋Ａｇ／ＡｇＣｂＭＫＣｌ），如圖２所示。反應器的陽極室填充５００ｍＬ由Ｍ９逡逑溶液（ＮＨ４ＣＩ，Ｏ．ｌｇＬ＇ＮａＣｌ，邋０．５邋ｇＬ－＾ＫＩｆｃＰＣ＾，“ｇＬ－＾Ｋ＾ＨＰＣＫ，邋ＳＪｇｌ／１；逡逑ＭｇＳ0４）組成的溶液，Ｏ．ｌｇｌＡ邋ＮａＨＣ0３，ＳｇＬ－１），微量元素（ＦｅＳ0４．７Ｈ２０，逡逑ｌ．ＯｍｇＬ－１，ＣｕＳ0４．５Ｈ２0，０＿０２ｍｇＬ－１，Ｈ３ＢＯ３，０．０１４ｍｇＬ＿１，邋ＭｎＳ0４．４Ｈ２0，０＿１０逡逑ｍｇ邋Ｌ－１，ＺｎＳＣＶ７Ｈ２0，０．１０邋ｍｇ邋Ｌ－１，Ｎａ２Ｍｏ0４．２Ｈ２0，０．０２ｍｇＬ－１，Ｃ０ＣＩ２．６Ｈ２Ｏ，逡逑０．０２邋ｍｇ邋Ｌ－１）和ＩｇＬ－１乙酸鈉組成的混合溶液。為了啟動反應器，將實驗室長期逡逑運行的ＭＦＣ反應器中的５０ｍＬ陽極流出物接種到陽極室中，陰極液溶液為Ｍ９逡逑溶液，陽極通過恒電位（Ｂｉｏｌｏｇｉｃ，Ｆｒａｎｃｅ）控制在ＯＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ的電位，并逡逑且使用計時電流法（ＣＡ）收集當前數(shù)據(jù)。所有反應器置于３０°Ｃ的溫室中序批次逡逑培

ｒａｎｇｅ邋ｏｆ邋１００邋ｋＨｚ邋ｔｏ邋１００邋ｍＨｚ邋ｉｎ邋ｆｒｅｓｈ邋ｍｅｄｉｕｍ逡逑２．３．４電流產(chǎn)生和生物膜形成逡逑如圖２－７ａ所示，所有碳化ＣＤ陽極（除ＣＤ４００夕卜）在產(chǎn)電菌接入后約１０逡逑小時啟動，約５０小時后電流密度就可以達到相對穩(wěn)定（１０．０３邋Ａ邋ｍ邋－２？１２．１５邋Ａ邋ｍ＿２）。逡逑而大部分的商用碳基陽極一般無法在如此短的時間內(nèi)完成啟動并達到穩(wěn)定運行，逡逑例如活性炭氈啟動時間需要１０天［９９］，而碳網(wǎng)陽極也需要３－６天［＿。此外，在逡逑８００°Ｃ下時碳化ＣＤ獲得最大電流密度，達到１１．７４邋±０．４１邋Ａｍ－２。逡逑在ＣＤ６００、ＣＤ８００和ＣＤ１０００電極表面可以觀察到覆蓋完整且有一定厚度逡逑的生物膜
【學位授予單位】：浙江工商大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.45

【參考文獻】

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1 錢丹丹;;微生物燃料電池的研究綜述[J];能源環(huán)境保護;2014年03期

2 國輝;袁紅莉;耿兵;劉雪;趙永坤;朱昌雄;;牛糞便資源化利用的研究進展[J];環(huán)境科學與技術(shù);2013年05期

3 榮玲;;淺談養(yǎng)牛場糞污的無害化處理與資源化利用[J];江西畜牧獸醫(yī)雜志;2011年06期

4 袁立;王占哲;劉春龍;;國內(nèi)外牛糞生物質(zhì)資源利用的現(xiàn)狀與趨勢[J];中國奶牛;2011年05期

5 韓磊;董紅敏;陶秀萍;;牛糞混合煤渣壓縮成型蜂窩煤特性研究[J];中國農(nóng)業(yè)科技導報;2009年03期

6 梁鵬;范明志;曹效鑫;黃霞;黃正宏;王誠;;填料型微生物燃料電池產(chǎn)電特性的研究[J];環(huán)境科學;2008年02期

7 黃霞;范明志;梁鵬;曹效鑫;;微生物燃料電池陽極特性對產(chǎn)電性能的影響[J];中國給水排水;2007年03期

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3 吳丹;牛糞生物炭的制備及其對水土氮素污染修復研究[D];沈陽大學;2016年

4 顧小雪;糖蜜基碳材料的制備及性能研究[D];吉林大學;2015年

5 冉偉;基于鹵蟲卵殼的碳材料的制備及其超級電容器電化學性能的研究[D];燕山大學;2014年

6 李遙潔;聚吡咯改性不銹鋼網(wǎng)膜電極應用于耦合膜生物反應器與微生物燃料電池[D];大連理工大學;2014年

7 賀光華;基于天然植物制備微生物燃料電池的三維多孔碳陽極材料研究[D];江西師范大學;2013年

8 李天佑;碳/聚苯胺復合材料的制備及其性能研究[D];哈爾濱工程大學;2012年

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本文編號：2686111