本文關鍵詞：微小孔隙內電化學活性生物膜成膜及pH分布特性，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：眾所周知,能源與環(huán)境問題是21世紀人類面臨的兩大難題,它們嚴重制約著經濟社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來,隨著社會經濟的高速發(fā)展,傳統(tǒng)的化石能源被過度開采,日益趨近于枯竭,同時,環(huán)境問題尤其是水污染問題也日益嚴重。而目前傳統(tǒng)的污水處理工藝一直處于“高投入、零產出”的狀態(tài)。因此,為了保證人類的可持續(xù)發(fā)展,尋找一種新型的清潔能源與污水處理工藝勢在必行。在這種背景下,微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)由于可以在處理污水的同時產生電能受到了研究者們的廣泛關注。目前,MFC低的功率輸出限制了其商業(yè)化應用。在眾多MFC性能影響的因素中,MFC的陽極性能是最重要的因素之一,尤其是微小孔隙內的陽極生物膜特性。本文以2B鉛筆芯為三維陽極陣列基本單元構建了不同微小孔隙結構的三維陽極陣列,并針對陽極微孔結構內的底物和產物傳輸、生物膜成膜及pH分布特性進行了研究。本文主要研究成果如下:(1)構建了固定間距0.5 mm而不同陣列大小的石墨陽極陣列,研究其內部pH分布和生物膜特性。實驗結果表明,2×2陣列的石墨陽極與單根石墨陽極上富集的生物膜電化學特性基本相同,而當石墨陽極陣列擴大至6×6時,其中心區(qū)域pH值遠低于外層電極區(qū)域。由于酸性pH環(huán)境會抑制電極表面生物膜的生長且降低其產電活性,因此6×6陣列的石墨陽極內產電份額遠小于其外層電極。(2)構建了固定框架為196 mm2而不同間距大小的石墨陽極陣列,研究其內部pH分布和生物膜特性。實驗結果表明,當陽極內部間距大于3.4 mm時,產物氫離子的傳遞對生物膜成膜影響較小;反之,當間距小于3.4 mm時,生物膜活性將受到氫離子擴散速率的限制。而當陽極間距減小為1.66 mm時,其內部pH的不均勻分布導致了石墨棒電極表面生物膜產電能力的巨大差異。(3)構建了實驗中最大固定陣列(10×10)石墨陽極,研究其內部pH分布及生物膜特性。通過與上述研究對比發(fā)現,當電極陣列中電極根數大于16根時,電極根數的增加對其產電提升效果較小。同時,隨著陽極內部電極根數的增多且電極間距的減小,電極歐姆內阻基本保持不變而傳荷內阻不斷增大。此外,研究結果還表明,電極內部pH值差異越小,生物膜在電極表面分布越均勻。
【關鍵詞】：石墨棒電極 電極陣列 pH分布 生物膜成膜 孔隙
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TB383.2;O646
【目錄】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 緒論9-21
• 1.1 前言9-10
• 1.2 MFC簡介10-13
• 1.2.1 MFC發(fā)展歷程10
• 1.2.2 MFC產電原理10-12
• 1.2.3 MFC的性能影響12-13
• 1.3 MFC陽極國內外研究現狀13-18
• 1.3.1 MFC陽極材料13-15
• 1.3.2 陽極啟動電勢對生物膜性能的影響15-17
• 1.3.3 生物膜內氫離子傳遞特性對其產電性能的影響17-18
• 1.4 已有研究工作的不足18
• 1.5 本文的主要工作18-21
• 2 實驗裝置及實驗方法21-37
• 2.1 前言21
• 2.2 實現系統(tǒng)的設計組裝以及啟動21-28
• 2.2.1 工作電極及對電極的材料選取21
• 2.2.2 三維微小孔隙陽極的組裝21-25
• 2.2.3 反應器的結構以及材料25-28
• 2.2.4 電池的啟動28
• 2.3 測試系統(tǒng)及測試方法28-37
• 2.3.1 微電極測試系統(tǒng)28-30
• 2.3.2 PMC多通道電化學工作站30-31
• 2.3.3 測試方法31-37
• 3 固定間距石墨棒陣列電極生物膜與p H分布特性研究37-61
• 3.1 引言37
• 3.2 單根、4 根石墨棒電極性能特性37-49
• 3.2.1 陽極啟動曲線37-39
• 3.2.2 石墨棒電極陣列內部p H及電流分布39-41
• 3.2.3 陽極生物膜活性表征41-46
• 3.2.4 石墨棒電極陣列中不同區(qū)域內阻分析46-47
• 3.2.5 不同區(qū)域的石墨棒陽極生物量及生物膜形貌觀測47-49
• 3.3 36 根石墨棒電極陣列（6×6）三維陽極實驗研究49-59
• 3.3.1 陽極啟動曲線及電極陣列對稱性驗證49-50
• 3.3.2 6×6 石墨棒電極陣列內部p H及電流分布50-53
• 3.3.3 陽極生物膜活性表征53-57
• 3.3.4 不同區(qū)域的石墨棒陽極的內阻分析57-58
• 3.3.5 不同區(qū)域的石墨棒陽極生物量及生物膜形貌觀測58-59
• 3.4 本章小結59-61
• 4 固定框架下不同間距石墨棒電極陣列實驗研究61-79
• 4.1 引言61
• 4.2 陽極啟動曲線及電極陣列對稱性驗證61-63
• 4.3 石墨棒電極陣列內部p H及電流分布63-66
• 4.4 陽極生物膜的活性表征66-72
• 4.4.1 有底物條件下陽極生物膜循環(huán)伏安曲線66-68
• 4.4.2 無底物條件下陽極生物膜循環(huán)伏安曲線68-72
• 4.5 不同區(qū)域的石墨棒陽極的內阻分析72-74
• 4.6 不同區(qū)域的石墨棒陽極生物量及生物膜形貌觀測74-76
• 4.7 本章小結76-79
• 5 100 根石墨棒電極陣列實驗研究79-93
• 5.1 引言79
• 5.2 陽極啟動曲線及電極陣列對稱性驗證79-81
• 5.3 石墨棒電極陣列內部p H及電流分布81-83
• 5.4 陽極生物膜的活性表征83-88
• 5.4.1 有底物條件下陽極生物膜循環(huán)伏安曲線83-84
• 5.4.2 無底物條件下陽極生物膜循環(huán)伏安曲線84-88
• 5.5 不同區(qū)域的石墨棒陽極的內阻分析88-89
• 5.6 不同區(qū)域的石墨棒陽極生生物量及生物膜形貌觀測89-90
• 5.7 本章小結90-93
• 6 結論與展望93-95
• 6.1 本文主要結論93
• 6.2 后續(xù)工作與展望93-95
• 致謝95-97
• 參考文獻97-101
• 附錄101
• A. 作者在攻讀碩士學位期間參與的科研項目101
• B. 作者在攻讀碩士學位期間獲得的榮譽101

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