【摘要】： 隨著全世界范圍內(nèi)的能源緊缺和環(huán)境污染問題的加劇,研發(fā)新的環(huán)境友好處理工藝從有機廢水中回收有價能源已經(jīng)成為環(huán)境工程領(lǐng)域一個重要的方向,是實現(xiàn)廢水處理能源化與可持續(xù)性發(fā)展的重要途徑之一。微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)能夠利用微生物作為催化劑將有機化合物氧化分解,同時產(chǎn)生電流,將有機物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,是一種全新的廢水處理技術(shù)。目前,MFC在全世界范圍內(nèi)的研究尚處于起步階段,大量的工作集中在技術(shù)的可行性和基礎(chǔ)研究的水平上,而限制該技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)化和工程應(yīng)用的主要問題是產(chǎn)電功率密度低,材料造價昂貴,MFC型式的不確定。 針對MFC研究目前存在的問題,本文以典型的雙室MFC和單室MFC為研究對象,系統(tǒng)研究了MFC的基本特性、陽極底物溶液性質(zhì)的影響、陰極強化、空氣陰極MFC結(jié)構(gòu)的改進及相關(guān)機制。論文取得了一些創(chuàng)新性的研究成果。 使用厭氧污泥能夠成功啟動雙室MFC和單室MFC,在間歇運行方式下,使用乙酸鈉作為單一的有機底物能夠獲得穩(wěn)定的電壓輸出和COD去除。最大功率密度的順序為:K3[Fe(CN)6]陰極MFC空氣陰極MFC曝氣陰極MFC。K3[Fe(CN)6]陰極MFC、曝氣陰極MFC和空氣陰極MFC的庫侖效率CE與COD去除率分別為49 %、28.2 %、33.8 %和60 %、45.3 %、80 %�？刂齐p室MFC性能的關(guān)鍵因素是陽極特性,而控制單室MFC性能的關(guān)鍵因素是空氣陰極的催化反應(yīng)動力學(xué)和氧傳質(zhì)特性。導(dǎo)致K3[Fe(CN)6]陰極MFC和空氣陰極MFC庫侖損失的主要原因分別是厭氧菌與產(chǎn)電菌爭奪有機底物和氧氣的陰極擴散。這些結(jié)果表明,MFC能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)電和同步有機廢水處理;此外,在對MFC反應(yīng)器進行設(shè)計和運行優(yōu)化時要充分考慮到不同形式MFC功率密度和庫倫效率的主要限制因素不同。 單糖、多糖以及一些常見的小分子有機揮發(fā)酸鹽和醇類物質(zhì)均可作為MFC產(chǎn)電的有機底物,功率密度隨有機底物濃度的變化具有“飽和效應(yīng)”,可以用經(jīng)典的Monod方程式進行描述和非線性回歸分析。底物濃度較高時,攪拌的影響不明顯;底物濃度較低時,攪拌的影響十分顯著。在雙室MFC中,陽極電解液具有良好的緩沖能力能夠維持pH處在一個穩(wěn)定的水平,是保證MFC穩(wěn)定運行的重要條件。適當(dāng)?shù)靥岣唠x子強度能夠降低MFC的內(nèi)阻,提高電流密度和功率密度。無論對于雙室MFC還是單室MFC,高濃度的NH3-N對MFC產(chǎn)電都沒有影響。單室MFC中的NH3-N轉(zhuǎn)化與好氧氨氧化有關(guān),與產(chǎn)電無關(guān)。雙室MFC中陽極的一部分NH3-N在產(chǎn)電過程中以NH4+的形式擴散進入陰極,以維持電荷平衡。這些結(jié)果都表明,在對MFC進行基礎(chǔ)研究和運行優(yōu)化時,要充分考慮到有機物、水力條件及電解液緩沖能力對系統(tǒng)的影響和限制作用。 通過對比研究發(fā)現(xiàn),在雙室MFC中,酸性KMnO4陰極MFC的開路電位能夠達到1.48 V,最大功率密度遠高于K3[Fe(CN)6]和氧氣。在使用酸性KMnO4陰極時,陰極的電極電位主要受控于KMnO4濃度和pH,但對pH更加敏感。在[KMnO4]=20 mg·L-1和pH=3.5的條件下,環(huán)式MFC的最大功率密度能夠達到3986.72 mW·m-2。SEM和XPS分析表明,KMnO4的主要還原產(chǎn)物是沉積在電極表面的固相MnO2,這是KMnO4陰極MFC具有高電位的主要原因。對于單室空氣陰極MFC來說,陰極的性能是影響功率輸出的重要因素�？s短電極距離、增大陰極的面積都能夠降低電池內(nèi)阻。空氣陰極的Pt負(fù)載量對功率輸出的影響與Nafion溶液的使用密切相關(guān)。這些結(jié)果都充分表明,提高陰極的電化學(xué)氧化性能是強化MFC功率輸出的重要途徑。 開發(fā)了更適于廢水處理的升流式空氣陰極MFC(UAMFC)。隨著有機負(fù)荷率的增加,功率密度先升高再降低;COD去除率、CE、EE和pH均呈現(xiàn)出下降的趨勢。電化學(xué)阻抗譜(EIS)分析表明,電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻Rc、歐姆內(nèi)阻Rohm和擴散內(nèi)阻Rd分別占總內(nèi)阻的22.6 %、50.2 %和26.3 %,歐姆內(nèi)阻占主導(dǎo)作用,主要由UAMFC的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定。高有機負(fù)荷下,回流比影響不顯著;低有機負(fù)荷下,提高回流比能顯著提高功率密度。氮的去除與產(chǎn)電過程無關(guān),主要受到有機負(fù)荷的影響。通過對UAMFC的長期行為進行觀察,發(fā)現(xiàn)功率以0.051 W·m-3·d-1的速率降低,歐姆內(nèi)阻Rohm和擴散內(nèi)阻Rd有升高的趨勢。通過對空氣陰極MFC的設(shè)計進行改進,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)產(chǎn)電及有機物和氮元素的去除。該種設(shè)計模式的顯著優(yōu)點是盡最大限度減少了電極距離,降低內(nèi)阻,提高功率輸出,進而為優(yōu)化空氣陰極MFC的設(shè)計與運行提供了切實可行的依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：X703.1
【圖文】：

圖 1-1 Science 和 Nature 雜志封面對 MFC 的報道Fig. 1-1 News on microbial fuel cell appeared in the cover of Science and Nature magzin0.0010.010.11101001000100001000001999 2001 2003 2005 2007 2009年份率密度功m(W m2-)?圖 1-2 近 9 年文獻報道的 MFC 功率密度的數(shù)量級統(tǒng)計Fig. 1-2 Statistics of the order of magnitude in area-based power density produced fromreported MFC within recent 9 years在能源緊張和環(huán)境問題日益突出的今天，MFC的研究也為環(huán)境工程

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文基本結(jié)構(gòu)與工作原理化學(xué)電源的觀點來看，最原始的MFC和氫燃料電池在構(gòu)造和似，均由陽極、離子交換膜和陰極組成，陰極使用金屬Pt作為陰極反應(yīng)的過電位損失[20~22]。唯一不同的是氫燃料電池的陽純度氫氣作為燃料，Pt金屬作為催化劑；而MFC陽極使用的是物作為燃料，以生長在電極表面的厭氧微生物作為催化劑。廢水生物處理技術(shù)的觀點來看，MFC 屬于復(fù)合式處理系統(tǒng)，水好氧處理，又不同于厭氧處理。就陽極轉(zhuǎn)移電子的微生物無疑屬于厭氧處理技術(shù)，因為陽極中電極還原微生物必須在厭生長，形成厭氧生物膜；但是陰極通常要通過曝氣來提供電子FC 也是一個好氧處理系統(tǒng)，只是這里的氧氣不參與微生物的是在陰極間接接受從陽極釋放出來的電子和質(zhì)子參與電化學(xué)還驗室研究中最經(jīng)常使用的電池形式為“H”型 MFC，主要由質(zhì)子交換膜組成（如圖 1-3 所示）。

【引證文獻】

相關(guān)期刊論文 前8條

1 萬金保;熊友強;朱衷榜;;雙圓筒型微生物燃料電池處理有機廢水的應(yīng)用[J];環(huán)境科學(xué)與技術(shù);2013年03期

2 強琳;袁林江;丁擎;;緩沖液對微生物燃料電池產(chǎn)電性能影響研究[J];環(huán)境科學(xué);2011年05期

3 范平;宋天順;覃彪;舒雙杰;周楚新;;不同馴化方式對以苯酚為基質(zhì)的微生物燃料電池產(chǎn)電性能的影響[J];環(huán)境工程學(xué)報;2012年11期

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6 王龍;趙慶良;姜s

本文編號：2742125