无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究

论文摘要

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是一种可以将废水中有机物所蕴含的能量进行回收利用的新型可再生能源装置。它利用阳极室内的产电微生物将废水中的有机物降解并用于产电,从而达到污水处理与产电相结合的目的。微生物燃料电池在处理废水的同时回收了能源,可较大程度降低污水处理的运行成本。目前微生物燃料电池性能仍较低,若能大幅提高微生物燃料电池性能,将大大改善传统的污水处理方式能耗大,成本高,只有投入没有产出的缺陷,进而使污染物处理成为一种有利可图的行业。无膜微生物燃料电池是目前微生物燃料电池研究的重要方向之一。目前,无膜微生物燃料电池的研究大多着重于阴阳极材料、电解质溶液方面的研究,而未针对阳极侧传质过程对电池的影响进行研究。本论文首先构建了无膜微生物燃料电池,研究了蛇形和交指型两种阳极流场型式对无膜MFC产电性能、生物膜生长状态、阳极性能和阴极性能的影响。在此基础上,本文将无膜微生物燃料电池技术与膜生物反应器技术相结合,构建了可处理有机废气的微生物燃料电池,从而实现了有机废气处理和产电的目的。本文研究成果如下:①提出并构建了带有蛇形和交指型阳极流场的两种新型无膜MFC。研究发现,在0.5mL/min的培养基流速下,以100Ω电阻进行培养,蛇形流场无膜MFC性能要优于交指型流场无膜MFC。蛇形无膜MFC的最大功率密度约高100mW/m~2,而最大电流密度约高500mA/m~2。实验发现,交指型流场MFC阴极侧电极表面被从阳极迁移过去的微生物所附着。从而使得交指型流场无膜MFC阳极腔室侧电极表面的生物膜厚度明显大于蛇形流场无膜MFC。这将导致电池内阻增大、阴极催化剂毒化,造成微生物燃料电池产电性能下降。②无膜型MFC中间腔室厚度对电池性能影响较大。当中间腔室厚度为2cm时,电池性能最佳,中间腔室厚度越大,电池内阻越大;而中间腔室厚度越小,阴极至阳极的氧气渗透量增加,这都导致无膜MFC性能的下降。③提出并构建了能够同时处理有机废气和废水的新型无膜微生物燃料电池,且实验验证了该MFC不仅可以有效降解挥发性有机废气,而且能够产生电能。通过电池的启动实验证实了阳极生物膜生长对有机废气降解和产电的重要性。实验表明,产电菌也可以生长在憎水表面,甲苯废气可以支持产电菌的生长。④可处理有机废气的无膜微生物燃料电池的性能实验表明,电池于100Ω电阻启动时其产电性能较差:其开路电压约为280mV,最大功率密度约为0.55mW/m~2,最大电流密度约为12.5mA/,当使用较大电阻5000Ω进行启动时,电池开路电压可达450mV,最大功率密度可达4.5mW/m~2,而最大电流密度可达40mA/m~2。⑤甲苯气体流速和浓度对电池的甲苯降解性能有较大影响。当甲苯气体浓度一定时,随着甲苯流速的增大,甲苯的降解量增大,但甲苯的降解效率降低。当甲苯流速一定时,随着甲苯浓度的升高,甲苯降解量先持续增加,而后基本维持在8g/m~3min左右,但甲苯降解效率则先维持在70%左右,而后下降至50%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 微生物燃料电池（MFC）简介
• 1.2.1 MFC 发展进程
• 1.2.2 MFC 产电原理
• 1.2.3 MFC 分类
• 1.2.4 MFC 特点及其应用前景
• 1.3 MFC 性能的主要影响因素
• 1.3.1 电化学动力损失
• 1.3.2 欧姆损失
• 1.3.3 浓差损失
• 1.4 MFC 国内外研究现状
• 1.4.1 有膜MFC 研究现状
• 1.4.2 无膜MFC 研究现状
• 1.4.3 MFC 底物种类
• 1.4.4 有机废气及其处理方法简介
• 1.5 本课题的主要工作
• 1.5.1 已有研究工作的不足
• 1.5.2 研究的主要内容
• 1.5.3 本文主要创新点
• 2 微生物燃料电池实验装置及方法
• 2.1 引言
• 2.2 MFC 的结构设计
• 2.2.1 处理废水无膜MFC 结构设计
• 2.2.2 可处理有机废气的无膜MFC 结构设计
• 2.3 MFC 各部件材料的选择及制备
• 2.3.1 电极材料的选择和电极的制备
• 2.3.2 MFC 启动时电子受体的选择
• 2.4 MFC 的组装及其实验系统的搭建
• 2.5 性能评价参数以及测试方法
• 2.5.1 电池电压与电极电动势
• 2.5.2 电池电流及电流密度
• 2.5.3 电池功率及功率密度的计算
• 2.5.4 电池内阻
• 2.5.5 极化曲线测试方法
• 2.5.6 MFC 处理有机废气性能评价指标
• 2.6 本章小结
• 3 阳极流场型式对无膜微生物燃料电池性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 无膜MFC 系统构建及启动特性
• 3.2.1 无膜MFC 系统构建
• 3.2.2 无膜MFC 的接种
• 3.2.3 无膜 MFC 的启动
• 3.3 阳极流场型式对无膜MFC 性能的影响
• 3.4 采用蛇形流场的无膜MFC 的性能研究
• 3.4.1 不同培养电阻对电池性能的影响
• 3.4.2 中间腔室厚度对蛇形流场无膜MFC 性能的影响
• 3.4.3 培养基流速对蛇形流场无膜MFC 性能的影响
• 3.5 本章小结
• 4 可处理有机废气的无膜微生物燃料电池
• 4.1 引言
• 4.2 可降解VOC 的无膜MFC 可行性研究
• 4.2.1 可处理有机废气的无膜MFC 系统构建
• 4.2.2 甲苯降解菌驯化为厌氧产电菌的适应性实验
• 4.2.3 可处理有机废气的无膜MFC 产电性能
• 4.3 可处理有机废气的无膜MFC 性能改进性实验
• 4.3.1 启动过程
• 4.3.2 改进性能后可处理有机废气的无膜MFC 产电性能
• 4.4 可处理有机废气的无膜MFC 甲苯降解性能特性
• 4.4.1 甲苯进气流速对甲苯降解效率的影响
• 4.4.2 甲苯进气浓度对甲苯降解效率的影响
• 4.5 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 后继研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目
• C. 作者在攻读硕士学位期间获奖情况