以苯酚为燃料的双室微生物燃料电池产电及去污性能研究

论文摘要

严重的环境污染问题和能源资源供给不足问题已经成为制约全球经济发展的两大问题。在微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）中，废水中的有机污染物可以在微生物的作用下被催化氧化，有机底物被氧化后所释放的电子沿着微生物的呼吸链转移到阳极上，之后电子经由外电路被阴极电子受体接受从而形成回路，产生清洁能源-电能。从原理上看，这在一定程度上可以缓解前面提到的两大难题，因此近年来得到了人们的广泛关注。在种类繁多的有机废水当中，含酚废水因毒性和危害较大，因此对于该类废水的处理人们一直比较关注。随着各类有机工业的发展，含酚废水的来源和种类不断增多，虽然目前处理含酚废水的方法有很多，但大多数方法的操作条件都比较苛刻，并且在处理过程中会产生难于降解的中间产物从而带来二次污染，这不符合当今可持续发展的理念，因此开发一种操作条件温和，处理过程环保无二次污染的含酚废水处理方法是人们所追求的目标。近年来，人们尝试用MFC技术来处理含酚废水，取得了较好的效果，但相关理论和技术还不够完善，需要进一步的研究与探讨。本文以苯酚为燃料，Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2电极为阴极构建了双室MFC，考察了以电极生物膜法制备的生物膜电极作为MFC阳极使用的可行性，还考察了微生物的驯化挂膜方法、挂膜时间、阳极材料种类、阳极表面积、搅拌等因素对电池内阻和产电性能的影响，最后对电池阴、阳极的去污效果进行了分析，实验结果表明：（1）以电极生物膜法制备的生物膜电极作为MFC的阳极使用能够实现电能的输出，且该法制备的生物膜电极比自然吸附法制备的电极具有更好的产生电能。（2）挂膜时间影响MFC的产电性能，本实验中微生物的最佳挂膜时间是8天，相应MFC的最大输出功率密度和内阻分别是39mW/m2和3000Ω。（3）对MFC的阳极溶液通氮气搅拌没有使电池的产电性能得到提高，对阴极溶液通空气搅拌可以大大提高电池的产电性能。（4）阳极基底材料的种类和表面积影响电池的产电性能，电池性能由好到差所对应的阳极基底材料顺序为：碳毡>石墨>钛网>泡沫钛；电池的产电性能随阳极表面积的增加先增大后降低，本实验中的最佳阳极表面积是2*2cm2。（5）MFC的阴、阳极能够在输出电能的同时高效去除苯酚，且无中间产物的积累，不会带来二次污染，是一种环保的苯酚废水处理方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微生物燃料电池技术
• 1.2.1 MFC 的工作原理
• 1.2.2 MFC 的电子传递机理
• 1.2.3 MFC 的分类与特点
• 1.2.3.1 分类
• 1.2.3.2 特点
• 1.3 微生物燃料电池性能影响因素及研究进展
• 1.3.1 阳极材料
• 1.3.2 微生物和底物
• 1.3.3 阴极催化剂与电子受体
• 1.3.4 隔膜
• 1.4 微生物燃料电池的应用前景及存在的问题
• 1.4.1 应用前景
• 1.4.2 存在的问题
• 1.5 论文的研究目的、研究内容及创新点
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 创新点
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与实验仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 电池的组装与运行
• 2.2.1 电池的组装
• 2.2.2 电池的运行
• 2.3 电极的制备与处理
• 2.3.1 Ti/SnO2-Sb2O5/PbO2电极的制备与处理
• 2.3.2 生物膜电极的制备
• 2.4 MFC 性能评价参数及测定方法
• 2.4.1 工作电压与电流密度
• 2.4.2 电池内阻
• 2.4.3 功率和功率密度
• 2.4.4 极化曲线和功率密度曲线
• 2.4.5 有机物去除效果
• 2.4.6 扫描电镜（SEM）分析方法
• 第三章 电极生物膜法在 MFC 中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 生物膜电极应用于 MFC 的可行性
• 3.2.2 挂膜方法对 MFC 性能的影响
• 3.2.2.1 挂膜方法对 MFC 产电性能的影响
• 3.2.2.2 挂膜方法对 MFC 内阻和电极表面形貌的影响
• 3.2.3 挂膜时间对 MFC 性能的影响
• 3.2.3.1 挂膜时间对 MFC 产电性能的影响
• 3.2.3.2 挂膜时间对 MFC 内阻的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 MFC 产电性能影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 阳极特性对 MFC 产电性能的影响
• 4.2.1.1 不同阳极材料表面的微生物形貌
• 4.2.1.2 阳极材料种类对 MFC 产电性能的影响
• 4.2.1.3 阳极材料种类对 MFC 内阻的影响
• 4.2.1.4 阳极表面积对 MFC 产电性能的影响
• 4.2.1.5 阳极表面积对 MFC 内阻的影响
• 4.2.2 通气搅拌对 MFC 产电性能的影响
• 4.2.2.1 阳极区通氮气搅拌对 MFC 产电性能的影响
• 4.2.2.2 阴极区通空气搅拌对 MFC 产电性能的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 MFC 去污性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 MFC 阳极区有机物的去除效果
• 5.2.1.1 MFC 阳极区苯酚的去除效果
• 5.2.1.2 MFC 阳极区 COD 的去除效果
• 5.2.2 MFC 阴极区有机物的去除效果
• 5.2.2.1 MFC 阴极区苯酚的去除效果
• 5.2.2.2 MFC 阴极区 COD 的去除效果
• 5.2.3 MFC 降解苯酚后的溶液成分分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 作者简介及科研成果
• 致谢