焦化废水微生物燃料电池产电特性及去除苯酚研究

论文摘要

目前,遍及全球性的能源危机和环境污染日益加剧,这激励着人们研发可再生的环境友好型的新能源技术。从工业废水中回收有价值的能源已经成为环境化学领域研究的一个重要方向。微生物燃料电池(MFC)以微生物为催化剂,通过微生物的新陈代谢将工业废水中蕴藏的化学能转化为清洁、无污染的电能。MFC为一门交叉学科,涉及到生物、环境及电化学等多个学科,正处于试验水平,尚未实际应用。本文采用双室MFC装置,以焦化废水处理车间的厌氧污泥作为细菌接种源,采用在线驯化法考察电池的产电性能同时测定毒性物质苯酚的降解率。(1)阳极液中有机基质仅添加葡萄糖过程中,葡萄糖逐渐减少,电池运行五个周期过程中细菌逐渐适应焦化废水MFC产电体系。驯化成熟的生物膜细菌形状有杆菌,球菌,其中以球菌居多；当葡萄糖浓度为0.25g/L时,电池输出功率密度最大,为55.65 mW/m2,此时电流密度为525 mA/m2；循环伏安曲线中出现了氧化还原峰,表明体系中生成了电子中介体,第一至三周期氧化还原峰位置有所偏移,说明混合菌体系电催化反应可能不止一种产电菌参与,至第四、五周期分别出现一对非常明显且对称的氧化还原峰,峰位十分接近,此说明生物膜已经驯化成熟,电化学活性较稳定；整个过程中电荷传递电阻RCt与其它阳极阻抗相比占绝对份额,表明此电化学反应体系阳极的电催化反应为传荷控制。(2)阳极液中添加葡萄糖、苯酚形成共基质体系,最初保持苯酚0.2g/L,葡萄糖1 g/L,之后逐渐减少葡萄糖含量,运行五个周期之后仅加入单一的苯酚基质,分别为0.2 g/L、0.4 g/L、0.6 g/L,驯化过程中提高了细菌电化学活性及耐毒性。阻抗测试单一基质MFC苯酚0.2 g/L时,阳极溶液欧姆内阻Rs为2.142Ω,苯酚0.6g/L时,阳极溶液欧姆内阻Rs为3.541Ω；电荷传递电阻RCt与其它阳极阻抗相比占绝对份额,阳极的电催化反应为传荷控制；循环伏安曲线没有出现氧化还原峰,说明体系中没有生成氧化还原中介体,而是通过纳米导线或细菌直接将电子传递至阳极；驯化成熟的生物膜在处理单一苯酚基质,苯酚初始浓度为0.2 g/L时,电池最大输出功率密度为42.9 mW/m2,此时电流密度为300 mA/m2。苯酚浓度测试发现前48 h降解速度比较快,之后降解速度逐渐减慢,至96h时基本降解完全。第48、96、144、192 h电池COD去除率分别为20.6%、28.6%、35.8%、40.9%,库仑效率分别为11.8%、13.6%、16.2%、18.5%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 燃料电池的分类
• 1.3 微生物燃料电池的发展史
• 1.4 MFC工作原理及体系能量损失分析
• 1.4.1 MFC工作原理
• 1.4.2 MFC体系能量损失分析
• 1.4.2.1 能量损失类型
• 1.4.2.2 能量损失最小化措施
• 1.5 MFC反应器构型
• 1.5.1 双室MFC构型
• 1.5.2 单室MFC结构
• 1.6 焦化废水处理现状
• 1.7 MFC存在的问题
• 1.8 课题创新及研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 试剂与仪器
• 2.1.1 试剂
• 2.1.2 仪器设备
• 2.2 装置及阴极、阳极液组成
• 2.2.1 装置
• 2.2.2 阴极和阳极溶液组成
• 2.3 电压、电流及功率密度的测定
• 2.4 菌种选择
• 2.5 分析与表征
• 2.5.1 循环伏安测试
• 2.5.2 交流阻抗测试
• 2.5.3 极化曲线测试
• 2.5.4 COD测定及库伦效率
• 2.5.5 扫描电镜测试前电极预处理
• 第三章 以焦化废水为基质的MFC产电特性
• 3.1 阴极和阳极阳极液组成
• 3.2 测定方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 MFC启动过程
• 3.3.2 焦化废水MFC电化学性能
• 3.3.2.1 MFC功率密度
• 3.3.2.2 MFC循环伏安特性
• 3.3.2.3 MFC阻抗对比
• 3.3.3 阳极液处理前后FTIR光谱测试
• 3.3.4 碳毡电极扫描电镜测试
• 3.4 本章小结
• 第四章 MFC对苯酚的降解
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 阴极和阳极液组成
• 4.1.2 测定方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 MFC启动过程
• 4.3.2 循环伏安曲线分析
• 4.3.3 单一苯酚基质COD去除率及库伦效率
• 4.3.3.1 苯酚降解率及功率密度曲线
• 4.3.3.2 库伦效率及COD去除率
• 4.3.4 共基质与单一基质电池性能比较
• 4.3.4.1 产电性能
• 4.3.4.2 极化曲线对比
• 4.3.5 不同负荷下MFC性能比较
• 4.3.5.1 MFC产电稳定性
• 4.3.5.2 阻抗对比
• 4.3.5.3 极化曲线对比
• 4.3.6 碳毡电极扫描电镜测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文