基于酵母菌催化的双极室微生物燃料电池研究

论文摘要

微生物燃料电池（MFC）是利用微生物催化剂将其代谢能直接转化为电能的装置,具有原料广泛、反应条件温和、清洁高效等优点,在生物质能和环境保护领域展现了巨大的前景。目前该领域仍处于实验阶段,研究MFC的产电性能及影响因素,对其实际应用研究具有重要的指导意义。本文针对MFC输出功率低、成本高等问题,以酵母菌构建双极室微生物燃料电池,设计与搭建实验系统平台,并从菌种、电极特性、运行条件等方面对该电池模型的产电性能进行了对比研究;进而对电池运行影响因素进行分析与优化。论文的主要内容如下:第一章,介绍微生物燃料电池的发展和研究现状,讲述MFC的分类及其特点,并阐述课题的研究内容和研究意义。第二章。双极室微生物燃料电池实验系统设计。根据MFC的产电机理和电子传递机制,确定实验的研究方案,设计并构建实验反应系统。第三章,产电菌种的选择及其产电性能研究。通过对基于酵母菌催化MFC的产电实验,考察酵母菌作为MFC产电微生物的可行性,获得了高活性菌株2.39和Y20。实验分析表明,酵母菌代谢产生的电子主要通过外界电子介体进行传递;电能的输出主要依赖于吸附在电极表面的细胞,而与悬浮在溶液中的微生物无关;产电菌在电化学环境中会经历一个类似于自然选择的活化过程,经过电化学活化的微生物对葡萄糖的生物电化学催化活性会有显著的提高。第四章,研究与分析电极特性对产电性能的影响。首次尝试以常用的非贵金属材料铜、铝、铁等作为阳极,并通过实验,对阳极特性,阴极材料、表面积以及两电极间距离等对MFC的产电性能的影响进行分析。结果表明,铁阳极的电池性能最好,最大功率密度可达193mW·m-2;同时,有效地增大阳极表面积、表面粗糙度,均有利于产电菌的附着,提高电能输出;阴极要选择易于吸附氧气和电子的材料,本实验反应系统,阴极表面积的最佳值为25cm2;当两极间距离在1～3cm,电池的输出最高。第五章,研究与分析运行条件对产电性能的影响。实验研究了微生物燃料电池内燃料浓度、介体的浓度、阴阳两极室的搅拌扩散、PEM膜面积、pH值、温度等参数对电池产电性能的影响,并对电池进行优化分析。第六章,文章最后对全文进行总结和展望,阐述主要的实验研究成果和将来的研究方向和工作重点。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 微生物燃料电池的简介
• 1.2.1 MFC的定义与分类
• 1.2.2 MFC的特点与应用前景
• 1.3 微生物燃料电池的研究现状与发展趋势
• 1.3.1 MFC的发展进程
• 1.3.2 MFC的现有改进技术
• 1.3.3 MFC的发展趋势
• 1.4 课题的研究内容和意义
• 1.4.1 课题项目的研究意义
• 1.4.2 课题项目的研究内容
• 第2章 双极室微生物燃料电池实验系统设计
• 2.1 微生物燃料电池的产电机理
• 2.1.1 MFC的产电过程
• 2.1.2 MFC与微生物呼吸的关系
• 2.1.3 MFC的电子传递机制
• 2.1.4 MFC的关键技术问题
• 2.2 间接型双极室MFC的实验研究方案
• 2.3 电池性能的评价参数
• 2.4 双极室MFC实验系统的设计
• 2.4.1 主要实验材料的选择与研制
• 2.4.2 两极室的溶液组成
• 2.4.3 实验系统的设计与搭建
• 第3章 MFC的菌种筛选及其产电性能研究
• 3.1 阳极产电微生物的研究
• 3.2 MFC产电微生物的选择
• 3.2.1 酵母菌实现污水处理的优势
• 3.2.2 影响酵母菌生长的环境因素
• 3.3 菌种的筛选实验设计
• 3.3.1 酵母菌的培养
• 3.3.2 实验的运行条件
• 3.3.3 MFC的运行启动
• 3.4 菌种筛选的实验结果分析
• 3.4.1 酵母菌MFC的电子传递方式
• 3.4.2 开路电压的比较与分析
• 3.4.3 MFC的输出电流密度分析
• 3.4.4 阳极区微生物对产电的影响
• 3.4.5 电池的稳定性测试
• 3.4.6 菌种的产电驯化
• 3.5 本章小结
• 第4章 MFC电极特性对产电性能的影响
• 4.1 阳极特性对MFC性能的影响
• 4.1.1 阳极材料对产电性能的影响比较
• 4.1.2 阳极表面积对电能输出的影响
• 4.1.3 阳极表面粗糙度对电池性能影响的分析
• 4.1.4 金属电极钝化机理的研究
• 4.2 阴极特性对产电性能的影响
• 4.2.1 不同阴极材料的影响与分析
• 4.2.2 阴极表面积对电池输出的影响作用
• 4.3 电极间距离的影响与实验研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 MFC运行条件的实验研究与分析
• 5.1 阳极区运行条件对MFC的产电影响
• 5.1.1 燃料葡萄糖对MFC性能影响的研究
• 5.1.2 温度对MFC性能的影响
• 5.1.3 pH值对MFC性能的影响
• 5.1.4 介体浓度的研究
• 5.1.5 阳极室搅拌的影响
• 5.1.6 PEM膜表面积的影响
• 5.2 阴极区影响因素的研究
• 5.2.1 阴极室的运行条件研究
• 5.2.2 阴极区氧化剂的选择与研究
• 5.2.3 阴极搅拌的影响
• 5.2.4 pH值对产电的影响
• 5.3 MFC产电性能的优化分析
• 5.3.1 动力学因素的研究与优化
• 5.3.2 内阻影响因素的分析
• 5.3.3 传递影响因素的分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 课题总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 作者简历