生物阴极微生物燃料电池阴极材料筛选与反应器运行

论文摘要

微生物燃料电池(MFC)具有处理废水的功能同时也是一项新能源技术,现在已经成为研究热点。由于生物阴极MFC构造和运行费用较低,具有更优越的可持续发展性,现在已经引起了很多研究学者的兴趣。本论文主要设计新型升流式管状生物阴极MFC反应器。经过交流阻抗测试,欧姆内阻仅为0.41Ω,说明该反应器设计合理。另外阳极电子转移内阻为1.18Ω,阴极电荷传递内阻13.11Ω,全电池电荷转移内阻14.8Ω,阴极的扩散内阻为0.26Ω。说明生物阴极电池性能阻力在于阴极的电荷转移内阻过大,这也是微生物燃料电池提高反应器功率的瓶颈。在阴极材料研究方面,试采用廉价材料泡沫镍作为阴极材料,首先利用两室MFC系统验证泡沫镍作为阴极材料的可行性。最高输出电流达到1.7mA,最大输出功率密度为4W/m~3。在升流式管状生物阴极MFC反应器中,继续采用泡沫镍作为阴极材料。最高输出电流达到4.5mA,最大输出功率密度2.9W/m~3。为了提高MFC性能,采用电化学方法在泡沫镍表面电镀二氧化锰,最高输出电流可以达到5.5mA。为了更好的优化阴极材料,接下来在泡沫镍表面涂抹PTFE和碳粉,反应器输出电流值达到6.5mA。试采用活性炭颗粒作为生物阴极MFC的阴极材料,考察了进水浓度和阳极回流比度对MFC性能的影响。经过反应器优化,输出电流从最初的30mA增长到50mA。最高功率密度可达17W/m~3。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 MFC的产电机理
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.3.1 MFC发展简史
• 1.3.2 反应器构型发展
• 1.3.3 生物阴极和材料研究
• 1.4 MFC的应用研究
• 1.4.1 有机废水发电
• 1.4.2 微生物燃料电池产氢
• 1.4.3 生物传感器
• 1.4.4 生物修复
• 1.5 课题来源及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 主要研究内容
• 第2章 实验方法与材料
• 2.1 生物阴极微生物燃料电池的构建和启动
• 2.1.1 实验技术路线
• 2.1.2 反应器的结构设计
• 2.1.3 材料预处理
• 2.1.4 反应器的接种与启动
• 2.2 分析与测量方法
• 2.2.1 反应器输出电压值的实时监测和记录
• 2.2.2 COD和库仑效率的计算方法
• 2.2.3 极化曲线和功率曲线的测量方法
• 2.2.4 反应器内阻的构成和分析方法
• 2.2.5 扫描电镜分析步骤
• 第3章 以泡沫镍为阴极材料的生物阴极MFC
• 3.1 两室泡沫镍生物阴极MFC
• 3.1.1 两室泡沫镍生物阴极MFC可行性
• 3.1.2 两室泡沫镍生物阴极MFC功率密度
• 3.1.3 两室泡沫镍生物阴极MFC交流阻抗与内阻分布
• 3.2 升流式泡沫镍生物阴极MFC
• 3.2.1 升流式泡沫镍生物阴极MFC构型与设计
• 3.2.2 升流式泡沫镍生物阴极MFC的产电特性
• 3.2.3 升流式泡沫镍生物阴极MFC电化学交流阻抗与内阻分布
• 3.2.4 升流式泡沫镍生物阴极MFC产电过程分析
• 3.3 电镀二氧化锰泡沫镍生物阴极MFC
• 3.3.1 电极改良与制备方法
• 3.3.2 电镀二氧化锰泡沫镍生物阴极MFC的产电特性
• 3.3.3 电镀二氧化锰泡沫镍生物阴极MFC产电过程分析
• 3.4 涂有PTFE+炭粉的泡沫镍生物阴极MFC
• 3.4.1 电极制备方法
• 3.4.2 涂有PTFE+碳粉泡沫镍生物阴极MFC的产电特性
• 3.4.3 涂有PTFE+碳粉泡沫镍生物阴极MFC产电过程分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 以活性炭颗粒为阴极材料的生物阴极MFC
• 4.1 以活性碳作为阴极材料的生物阴极MFC可行性
• 4.1.1 反应器构型与设计
• 4.1.2 可行性分析
• 4.2 反应条件的优化
• 4.2.1 进水COD对MFC的影响
• 4.2.2 阳极回流比对MFC性能的影响
• 4.3 最优状态下的电化学参数
• 4.3.1 极化曲线
• 4.3.2 升流式活性炭生物阴极MFC电化学交流阻抗与内阻分布
• 4.4 活性炭生物阴极MFC产电过程分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢