微生物燃料电池系统的技术研究与结构优化设计

论文摘要

微生物燃料电池技术是一种利用细菌分解有机物而产生电能的新型能源方式，而且因为其产生电能、降解有机物和降低成本的优势而得到各国科研人员的广泛研究。但是目前的研究结果显示，微生物燃料电池要走向实际化的应用还需要解决一系列的问题，尤其是电能的提升。为了提升微生物燃料电池的电能输出和资源优化，本课题主要对微生物燃料电池技术进行了深入探讨，并进行了资源和结构的优化设计。首先利用直接生长的碳纳米管作为微生物燃料电池的电极极板，进行乳制品废水的降解和产电性能的探讨。研究发现，长有直的碳纳米管的极板可以产生的最大功率密度为2.28W/m2,极限电流密度为11.95A/m2，10天后对乳制品废水的降解率可达24.52%；而没有生长碳纳米管的极板材料的最大功率密度为1.38W/m2，极限电流密度为7.14A/m2，10天后对乳制品废水的降解速率为11.73%。长有碳纳米管的极板的产电性能比单纯合金极板的产电性能要好一倍左右，其原因是碳纳米管可以形成独特的3D结构，为微生物的附着和繁殖提供了良好的栖息地，减小了系统的活化极化和浓度极化。但是碳纳米管的制备技术，也关系着其产电性能，因此需要进一步改善其制备技术。其次，通过流道槽体的设计，本课题也对微生物燃料电池系统的结构进行了优化设计，并且从模拟分析和实验验证两方面进行对比。模拟发现Re=60时，渐扩流道的混合效率最好，然后依次是渐缩、圆形和方形；而实验结果发现渐缩流道的产电性能和COD降解率最好，而后依次是渐扩、方形和圆形。模拟分析与实验的结果的差异，表明微生物燃料电池技术的错综复杂性，并非是单纯的工程模型，但是可以将工程技术中的思维应用于微生物燃料电池中，更好的为改善其性能表现服务。最后，对于微生物燃料电池阴极系统的研究很多，但是对于阴极利用的却很少，而生物-电-芬顿系统正好弥补了这一空白。实验发现，利用碳毡作为系统的电极材料，当对阴极加入FeSO4·6H2O时，可以对含油废水实现49.4%的降解，其降解率远远比没有加入任何Fe2+源的对照组要高。而且通过对比系统的长时间放电曲线，也可以发现生物-电-芬顿系统对于产电的改善作用。此项技术对于未来工业应用具有重要的实际意义，可以促进多元化的废水处理，降低成本。本课题中所做的研究，对于微生物燃料电池产电性能和废水的COD降解均有明显的效果，未来可以进行更深层次的研究，以更好的改善微生物燃料电池技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 能源危机
• 1.1.2 环境问题
• 1.1.3 新能源的探索
• 1.2 微生物燃料电池技术的起源
• 1.3 研究动机与目的
• 2 文献回顾
• 2.1 微生物燃料电池技术
• 2.1.1 微生物燃料电池的构型
• 2.1.2 微生物燃料电池的材料
• 2.1.3 微生物燃料电池技术的应用于废水处理的研究进展
• 2.2 乳制品废水处理进展
• 2.3 含油废水处理概况
• 2.4 芬顿系统的应用及发展
• 2.5 生物-电-芬顿系统的发展
• 3 实验材料的准备与量测分析
• 3.1 实验材料与药品试剂
• 3.1.1 乳制品废水
• 3.1.2 含油废水
• 3.1.3 化学药品试剂
• 3.2 实验仪器
• 3.3 实验量测
• 3.3.1 功率密度测量分析
• 3.3.2 伏安特性曲线量测分析
• 3.4 微生物燃料电池的效能评估
• 4 批次式实验内容与分析
• 4.1 不同电极材料的实验
• 4.1.1 实验材料的准备与架构
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.3 分析与讨论
• 4.2 CNT 初步实验
• 4.2.1 CNT 的制备与基本性能
• 4.2.2 实验的架构
• 4.2.3 实验结果
• 4.2.4 分析与讨论
• 4.3 CNT 重复试验
• 4.3.1 实验的架构
• 4.3.2 实验结果与分析讨论
• 4.3.3 CNT 对 COD 降解的作用
• 5 连续式实验结果与分析
• 5.1 CFDRC 简介
• 5.2 流道设计
• 5.3 模拟分析
• 5.3.1 格点测试
• 5.3.2 深宽比测试
• 5.3.3 Re 测试
• 5.4 流道实验
• 5.4.1 实验架构
• 5.4.2 实验结果
• 5.4.3 分析与讨论
• 6 生物-电-芬顿实验
• 6.1 芬顿系统实验条件的确定
• 6.2 生物-电-芬顿系统的架构
• 6.2.1 实验设置
• 6.2.2 化学药剂的确定
• 6.3 实验结果
• 6.4 分析与讨论
• 7 结论与未来研究
• 7.1 结论
• 7.2 未来研究
• 参考文献
• 致谢
• 附录 1 攻读学位期间发表的学术论文目录