以生物柴油副产物为底物的微生物燃料电池产电特性研究

论文摘要

随着生物柴油产业的迅速发展,其副产物的产生和利用成为一个新的问题。将生物柴油副产物加工提纯甘油的做法正面临着价格的挑战。而将生物柴油副产物直接作为微生物燃料电池的底物进行微生物产电,既扩展了微生物燃料电池的底物类型,又为生物柴油副产物的利用提供了一个新的方向。本文采用空气阴极单室微生物燃料电池,将在生物柴油生产过程中产生的副产物作为底物加入到MFC中进行产电性能研究。文中考察了进水浓度、底物成分和PBS浓度对MFC性能的影响。依次加入COD浓度为390 mg/L、780 mg/L、1020 mg/L、1960 mg/L、3920 mg/L、7850mg/L的进水,得到了161 mW/m2至371 mW/m2的功率密度,也获得了均在6%左右的库仑效率和在3920 mg/L-COD进水浓度时95%的最大的COD去除率。使用莫诺方程对生物柴油副产物的产电结果进行拟合,得到了理论最大输出功率387 mW/m2。生物柴油制备工艺对副产物的产生和成分有着重要的影响,进而会影响以其作为底物的MFC的性能。实验对比结果表明,在生物柴油生产过程中,将生物柴油与副产物静止分离的时间从1小时延长至24小时,使生物柴油与副产物的分离更加彻底,这样的副产物加入到反应器中后,可使MFC的功率密度由333 mW/m2提高至487 mW/m2,使库仑效率从5.97%提高至9.01%。在理想情况下,即当副产物中只有甘油一种成分时,MFC的性能将达到最高。由于生物柴油副产物成分的复杂和极其高的COD浓度,尤其是其中少量脂类物质的存在,使其直接作为MFC的底物时,输出功率和库仑效率值都不能满足要求。针对此问题,分别了底物微波预处理、添加表面活性剂和阳极材料改性三种方法来试图提高MFC的性能。使用800W的微波对底物进行不同时间的消解,结果证实8min的微波处理能将反应器启动时间由680h缩短至540h,将库仑效率由5.69%提高至9.65%。向底物中添加表面活性剂Tween80的方法虽然底物与微生物的接触,但由于其导致反应器内阻的急剧增加,所以对功率密度的增加十分有限,仅为14mW。从电极材料方面考虑,选择碳刷阳极能提供更大的阳极表面积,使用具有更大表面积的碳刷阳极能够较大程度的提高电池的输出密度,比碳布阳极提高了67.9%。对碳刷阳极进行高温、酸、碱的预处理,进一步将MFC的输出功率提高至2.11 W/m2,利用生物柴油副产物作为底物的MFC得到了十分理想的产电效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微生物燃料电池（MFC）的产电和电子传递机理
• 1.3 MFC的优点和国内外研究进展
• 1.3.1 MFC的优点
• 1.3.2 国内外MFC研究进展
• 1.4 生物柴油副产物的产生及利用情况
• 1.5 主要研究内容和意义
• 第2章 实验材料和方法
• 2.1 单室空气阴极反应器的构建和启动
• 2.1.1 反应器的构建
• 2.1.2 反应器的启动
• 2.2 反应器运行时各项指标的监测和分析方法
• 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
• 第3章 以生物柴油副产物为底物的MFC的影响因素研究
• 3.1 生物柴油副产物的成分分析
• 3.2 以生物柴油副产物为底物的MFC运行情况
• 3.3 以生物柴油副产物为底物的MFC性能影响因素研究
• 3.3.1 底物浓度对MFC性能的影响
• 3.3.2 底物组分对MFC性能的影响
• 3.3.3 PBS对MFC性能的影响
• 3.3.4 阳极材料对MFC性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 提高生物柴油副产物MFC性能的研究
• 4.1 底物微波预处理对MFC性能的提高
• 4.1.1 微波的作用原理
• 4.1.2 底物微波处理后的MFC性能
• 4.2 底物中加入表面活性剂对MFC性能的提高
• 4.2.1 表面活性剂的作用原理
• 4.2.2 加入表面活性剂后的MFC性能
• 4.3 阳极表面改性对于MFC性能提高的影响
• 4.3.1 阳极表面改性方法
• 4.3.2 表面改性后生物柴油副产物MFC的性能
• 4.3.3 阳极表面改性机理分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢