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以葡萄糖为原料的微生物燃料电池产电特性研究

2020-12-08阅读(101)

以葡萄糖为原料的微生物燃料电池产电特性研究

论文摘要

随着未来世界能源的持续紧缺和环境危机的日益严重,开发对环境不构成污染的新型可再生能源来替代石油、煤等现今主要燃料显得越来越重要。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)作为新型可再生能源中的一种,能在微生物的催化下,直接以各种碳水化合物、复杂有机物为底物产电,能量转化效率高；可在偏远、低温环境下有效运行,环境适应性强；产电过程绿色环保,至多只产生C02,且CO2的释放量低于其他能源形式的平均水平；原料来源广泛。由于MFC的特殊优势,使其在替代能源、废水处理等方面具有巨大应用前景,遂成为当今—大研究热点。但在越来越多的学者参与到该研究领域的同时,MFC本身发展也面临着瓶颈,其瓶颈主要表现在两个方面：大部分MFC输出功率仍然较低且不稳定；大部分系统需要添加电子传递中间体才能提高产电能力,但是电子传递中间体价格昂贵且有毒,不适应发展需求。为解决上述问题,本文优化了MFC运行系统,对产电菌种进行了筛选,对产电电极进行了选择优化,驯化了产电微生物以提高其输出电流、电压、功率,还分别以酒精酵母与海洋酵母为产电微生物构建了直接MFC系统,解决了电子传递中间体的污染问题。主要研究结果如下：1.运行系统的构建与优化本论文自行设计的双腔MFC装置系统阴极、阳极均为未抛光高纯石墨电极,该系统以酒精酵母(2.39)为产电微生物,以电池开路电压值为依据,对质子交换膜面积、葡萄糖浓度,酒精酵母接种量、阴极电解液浓度、电子传递中间体浓度等进行了优化。结果确定了以下运行系统：质子交换膜规格为5cm×5 cm的,阳极室中最佳底物添加量为20 ml浓度为0.1 g/ml的葡萄糖溶液,菌种接种量为20ml浓度为6×1011 cells/ml的菌悬液,电子传递中间体的添加量为0.5 ml浓度为]%的亚甲基蓝溶液,缓冲液添加量为3 ml浓度0.05 g/ml的NaH2P04溶液；阴极室中电解液的添加量为2 ml 0.05 g/ml的K3Fe(CN)6溶液。在此优化条件下,得到最大开路电压为(0.534±0.028)V。2.菌种筛选与电极选择在系统优化后条件下,以高纯石墨电极为阴极,阳极电极分别以石墨、铝、铜、铁片及铁圈为装置进行开路电压最大值对比。分别以酒精酵母2.39,AS2(434),Y10,Y11(45),Y20,Y17,2.67等菌株进行运行,结果显示,石墨阳极相对电化学活性最低,电极优劣依次可以排列为石墨电极<铜电极<铝电极<铁片电极<铁圈电极。2.39的最大开路电压为铁圈阳极时,达1.241±0.025 V；AS2(434)的最大开路电压为铁圈阳极时,达0.985±0.014 V；Y10的最大开路电压为铁圈阳极时,达1.103±0.011 V；Y11(45)；Y11(45)的最大开路电压为铁圈阳极时,达1.138±0.016 V；Y20的最大开路电压为铁圈阳极时,达1.297±0.031 V；Y17的最大开路电压值为铁片阳极时,达1.151±0.029 V。在铁圈条件下,2.39与Y20达到了所有菌种中的开路电压最大值；Y10在运行过程中最快到达了开路电压峰值,稳定性强,故选择菌种2.39,Y20和Y10进行后续驯化。3.菌种驯化菌种驯化过程为系统运行后重新收集、分离、扩大培养菌种,同样条件下再次运行产电。驯化采用通路实验,以石墨为阴极，铁圈为阳极,在优化后系统条件下,串联电阻,得到输出电压、电流及功率。结果显示驯化后不同菌株的产电能力均得到了很大提升,具体结果如下：驯化后菌株2.39的输出电压峰值为0.392 V,输出电流峰值达到了1.1 mA,输出功率峰值有所提前,达0.431 mW,提高了其产电能力、稳定性及对环境的适应性。菌株Y20驯化后的输出电压峰值提高至0.924 V；输出电流峰值从原来的0.512 mA提高至0.548 mA；输出功率峰值有所提升(达0.506 mmW),但产电速度出现滞后现象,驯化过程提升了Y20的产电能力,但产电稳定性差异不显著。菌株Y10驯化后的输出电压峰值一跃从0.348 V上升至0.557 V；输出电流峰值也从开始的0.98 mA大幅提升至1.568 mA；驯化前最大功率值为0.341 mW,驯化后最大值为0.873mW,提升率达156%。任何时候驯化后Y10的功率均大幅度高于驯化前。对菌种Y10的驯化,使其产电能力得到质的飞跃,且产电稳定性也有了很大提高。4.直接MFC构建以多次驯化的酒精酵母Y10和海洋酵母Rhodosporidium paludigenum Fell & Tallman为产电微生物,以石墨为阴极,铁圈为阳极,系统条件不变的情况下,串联变阻器,不添加电子传递中间体,构建直接MFC,产电结果显示,多次驯化的Y10 MFC的最大输出电压为0.889 V,最大输出电流为2.2 mA,最大输出功率达1.99 mW。海洋酵母Rhodosporidium paludigenum Fell & Tallman MFC的最大输出电压为0.937 V,输出电流的最大值为1.4 mA,输出功率的最大值高达0.459 mW。综上所述,本文以葡萄糖为底物,较为全面地从系统优化、菌种筛选、电极选择、菌种驯化等方面大大提高了MFC的产电能力,一定程度上解决了MFC输出功率较低的问题；且以Y10及海洋酵母成功构建了直接MFC,且有较为可观的输出电压、电流、功率,满足今后开发偏远地区小型电源与小型海底仪器的客观要求,克服了添加电子传递中间体的问题。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 微生物燃料电池简介
  • 1.2.1 微生物燃料电池定义
  • 1.2.2 微生物燃料电池的原理与分类
  • 1.2.3 微生物燃料电池的优势
  • 1.3 微生物燃料电池的评价参数
  • 1.3.1 开路电压
  • 1.3.2 极化曲线
  • 1.3.3 输出电压、电流及功率
  • 1.3.4 内阻
  • 1.4 微生物燃料电池国内外研究进展
  • 1.4.1 微生物燃料电池的发展历程
  • 1.4.2 微生物燃料电池的研究现状及热点
  • 1.4.3 微生物燃料电池的发展趋势
  • 1.5 选题依据及预期目标
  • 1.5.1 选题依据
  • 1.5.2 本课题优势
  • 1.5.3 预期目标
  • 1.5.4 技术路线
  • 第二章 微生物燃料电池系统构建
  • 2.1 实验材料
  • 2.1.1 主要试剂及培养基
  • 2.1.2 主要设备
  • 2.2 实验方法
  • 2.2.1 不同规格的质子交换膜对于开路电压的影响
  • 2.2.2 不同葡萄糖的添加量对于开路电压的影响
  • 2.2.3 酒精酵母接种量对于开路电压的影响
  • 2.2.4 阴极电解液铁氰化钾溶液添加量对于开路电压的影响
  • 2.2.5 电子传递中间体添加量对于MFC的影响
  • 2.3 结果
  • 2.3.1 不同规格的质子交换膜对于开路电压的影响
  • 2.3.2 不同葡萄糖的添加量对于开路电压的影响
  • 2.3.3 酒精酵母接种量对于开路电压的影响
  • 2.3.4 阴极电解液铁氰化钾溶液添加量对于开路电压的影响
  • 2.3.5 电子传递中间体添加量对于MFC的影响
  • 2.4 讨论
  • 第三章 微生物燃料电池菌种筛选及电极性能研究
  • 3.1 实验材料
  • 3.1.1 主要试剂及培养基
  • 3.1.2 主要设备
  • 3.2 实验方法
  • 3.2.1 模式菌种2.39在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.2 菌种AS2（434）在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.3 菌种Y10在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.4 菌种Y11（45）在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.5 菌种Y20在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.6 菌种Y17在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.7 菌种2.67在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.2.8 MFC装置阳极选择及菌种筛选
  • 3.3 实验结果
  • 3.3.1 模式菌种2.39在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.2 菌种AS2（434）在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.3 菌种Y10在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.4 菌种Y11（45）在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.5 菌种Y20在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.6 菌种Y17在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.7 菌种2.67在各种阳极材料条件下的产电表现
  • 3.3.8 MFC装置阳极选择及菌种筛选
  • 3.4 讨论
  • 第四章 微生物燃料电池菌种驯化研究
  • 4.1 实验材料
  • 4.1.1 主要试剂及培养基
  • 4.1.2 主要设备
  • 4.2 实验方法
  • 4.2.1 菌种2.39驯化前后的电性能差异
  • 4.2.2 菌种Y20驯化前后的电性能差异
  • 4.2.3 菌种Y10驯化前后的电性能差异
  • 4.3 实验结果
  • 4.3.1 菌种2.39驯化前后的电性能差异
  • 4.3.2 菌种Y20驯化前后的电性能差异
  • 4.3.3 菌种Y10驯化前后的电性能差异
  • 4.4 讨论
  • 第五章 直接微生物燃料电池的构建
  • 5.1 实验材料
  • 5.1.1 主要试剂及培养基
  • 5.1.2 主要设备
  • 5.2 实验方法
  • 5.2.1 电极设置
  • 5.2.2 酵母培养及驯化
  • 5.2.3 系统运行条件
  • 5.3 实验结果
  • 5.3.1 多次驯化后的Y10运行表现
  • 5.3.2 海洋酵母Rhodosporidium paludigenum Fell & Tallman的MFC运行表现
  • 5.4 讨论
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 运行系统的构建与优化
  • 6.2 菌种筛选与电极选择
  • 6.3 驯化菌种以提高产电能力
  • 6.4 直接MFC构建
  • 6.5 本文的创新性
  • 6.6 下一步研究展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简历

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