有机废水单室空气阴极微生物燃料电池开发研究

论文摘要

随着世界经济快速发展,对能源的需求日益俱增和石化能源的日渐枯竭,开发优质可靠的新型清洁能源及调整世界能源结构体系已成大势所趋。微生物燃料电池（MFC）是一种利用生物质为燃料的清洁、新型产能技术,其直接将生物质中化学能转变为电能,具有燃料来源广泛、资源转化率高、无污染和反应条件温和等优点,是可持续再生新能源体系的新方向。基于微生物燃料电池所用到的材料造价比较昂贵,构型不确定等众多因素,本研究设计了一种新型的单室空气阴极MFC,并以此为研究对象,分别以人工模拟废水和葡萄糖溶液为燃料,污水处理厂厌氧池活性污泥为菌种,在间歇运行模式下对其产电性能及其影响因素进行了研究,并对启动后的阳极产电微生物进行了鉴定分析。为微生物燃料电池将来在大规模开发、实际应用方面提供了切实可行的依据。研究表明,该单室空气阴极MFC可以在较短的时间内得到启动,且具有较好的重现性,输出电压稳定。MFC可获得输出功率密度高达1319mW·m-3,内阻为130Ω；MFC反应器具有较高的污水去除能力,在利用5mmol/L的葡萄糖溶液（COD约为870mg/L）作为燃料时,COD去除率高达93.6%,处理后的COD值为60 mg/L。我们得到了（1）阳极材料的比表面积和孔隙率对MFC产电有重要的影响；阳极填料以Φ4×4mm石墨颗粒的MFC输出性能最好,最大输出电压为0.415 V,最大输出功率为990.17 mW/m3;（2） MFC在25℃-35℃范围内具有较强的适应能力,最适宜温度为35℃；（3）MFC的输出功率随葡萄糖初始浓度的增加而增大,但是不会无限增大,表现出一种“饱和效应”,通过采用Monod方程拟合得到了外电路为500Ω,800Ω,1000Ω的MFC输出功率随葡萄糖浓度变化动力学方程；（4）阳极溶液的pH会影响MFC的电能输出。持续4次添加葡萄糖溶液,阳极溶液pH由6.92下降到5.05,MFC输出电压由0.428V下降到0.266V；（5）向普通的石墨材料中加入硫酸铁制成的阴极板具有催化效果,以硫酸铁含量为6%的阴极板构建的MFC输出电压为0.528V。MFC启动成功后,从阳极室中分离出5种不同的菌种,它们所占的比例分别为：微嗜酸寡养单胞菌（Stenotrophomonas acidaminiphila）占42.8%成为阳极室中的主优势产电菌;维罗纳假单胞杆菌（Pseudomonas veronii）,变形假单胞菌（Pseudomonas plecoglossicida）,台湾假单胞菌（Pseudomonas taiwanesis）和Ochrobactrum tritici partial均占14.3%,为阳极室中的次优势产电菌。这5种优势产电菌都属于细菌界变性菌门,目前是首次被发现利用葡萄糖进行产电。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 缩略词
• 第1章 绪论
• 1.1 能源需求与生物质能源化技术
• 1.1.1 能源需求
• 1.1.2 生物质能源化技术
• 1.2 微生物燃料电池研究进展
• 1.2.1 发展史
• 1.2.2 研究现状
• 1.2.3 构型设计及种类
• 1.2.4 工作原理
• 1.2.5 产电细菌的电子转移机理
• 1.2.6 应用前景
• 1.3 微生物燃料电池反应热力学
• 1.4 课题研究背景及意义
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 单室空气阴极微生物燃料电池设计及实验方法
• 2.1 单室空气阴极MFC的设计
• 2.1.1 阴极材料制备
• 2.1.2 石墨颗粒和质子交换膜的预处理
• 2.1.3 MFC的组装
• 2.2 材料和仪器
• 2.2.1 实验仪器和试剂
• 2.2.2 菌种
• 2.2.3 营养液、模拟废水和微生物培养基
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 单室空气阴极MFC电化学特性实验
• 2.3.2 单室空气阴极MFC影响因素实验
• 2.3.3 阳极优势产电菌属鉴定实验
• 2.4 电化学参数的测定与计算
• 2.4.1 电压与电流的测定
• 2.4.2 极化曲线与功率密度曲线的测定
• 2.4.3 库伦效率计算
• 2.4.4 能量效率计算
• 2.5 分析方法
• 2.5.1 废水COD及酸度测定
• 2.5.2 葡萄糖浓度测定
• 2.5.3 石墨颗粒比表面积的测定
• 2.5.4 石墨颗粒孔隙率的测定
• 2.5.5 阳极优势产电细菌的分离纯化
• 2.5.6 阳极优势产电细菌的16SrRNA测序鉴定方法
• 第3章 单室空气阴极微生物燃料电池电化学特性及影响因素的研究
• 3.1 单室空气阴极MFC电化学特性讨论
• 3.1.1 输出电压
• 3.1.2 极化曲线和功率密度曲线
• 3.1.3 电池库伦效率、能量回收率和COD去除率随时间的变化
• 3.2 阳极比表面积和孔隙率与MFC产电性能的相关性
• 3.3 温度对MFC产电性能的影响
• 3.4 有机底物浓度对MFC产电性能的影响
• 3.5 MFC阳极溶液的pH与产电性能的相关性
• 3.6 阴极材料对MFC产电性能的影响
• 3.7 阳极优势产电细菌16S rRNA测序鉴定与系统发育结果与讨论
• 第4章 结论与展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表的学术论文