本文關(guān)鍵詞：微生物燃料電池降解鄰苯二甲酸酯及其同步產(chǎn)電性能的基礎(chǔ)研究

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【摘要】：能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),更是支撐工業(yè)和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展的必要元素。面對(duì)能源供應(yīng)持續(xù)緊缺、能源利用效率偏低、能源價(jià)格過高以及環(huán)境危機(jī)日益凸顯的嚴(yán)峻形勢(shì),開發(fā)新型可再生替代能源越來越重要。微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)是近年來新興的一種清潔能源技術(shù),通過微生物的催化作用氧化分解有機(jī)底物,同時(shí)產(chǎn)生回路電流,將有機(jī)底物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,在實(shí)現(xiàn)有機(jī)物高效降解的同時(shí)穩(wěn)定地向外輸出電能。本文嘗試以易降解有機(jī)物作為共基質(zhì),研究MFC對(duì)鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)(PAEs)的降解,同時(shí)獲取電能,為環(huán)境激素類有毒難降解有機(jī)物的高效低耗處理提供一種新的研究思路。質(zhì)子交換膜是MFC的核心組件,目前使用最廣泛的Nafion全氟磺酸膜因制備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本過高,不利于燃料電池的推廣應(yīng)用。本文通過接枝改性制備PVDF-g-SSS質(zhì)子交換膜,并將其應(yīng)用于雙室微生物燃料電池系統(tǒng),研究MFC的產(chǎn)電性能和有機(jī)質(zhì)降解效果,探討PVDF-g-SSS接枝膜作為Nafion替代膜的可能性,具有廣闊的工程應(yīng)用前景。研究結(jié)果表明,分別以乙酸鈉(NaAc)、乙酸鈉+鄰苯二甲酸酯(PAEs)的混合物作陽極燃料,MFC的最大輸出電壓分別為353 mV(2 g/L NaAc),226 mV(2g/L NaAc+10 mg/L PAEs),278 mV(2 g/L NaAc+30 mg/L PAEs),360 mV(2 g/L NaAc+50 mg/L PAEs),相應(yīng)的最大(面積)功率密度分別為25.47 mW/m2,58.78mW/m2,49.39 mW/m2,40.82 mW/m2(按外電阻1000?和陽極截面積計(jì)算)。電池的輸出電壓曲線均呈現(xiàn)規(guī)律的三個(gè)階段:上升階段、穩(wěn)定階段、下降階段,但不同燃料的產(chǎn)電能力有所不同,NaAc+PAEs作混合燃料的輸出功率明顯高于NaAc作單一燃料的輸出功率,而PAEs濃度為10 mg/L時(shí),MFC獲得最大輸出功率,這反映了產(chǎn)電微生物對(duì)不同濃度、不同燃料的選擇性。同時(shí),MFC對(duì)PAEs的降解效率以及COD的去除率分別達(dá)到70%和89%以上。MFC在閉路條件下運(yùn)行對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解效率高于開路條件下的降解效率,這表明微生物燃料電池可能促進(jìn)了微生物對(duì)鄰苯二甲酸酯類物質(zhì)的利用與分解,從而提高了有機(jī)質(zhì)的降解效率。保持運(yùn)行條件相同,將PVDF-g-SSS接枝膜應(yīng)用于雙室MFC,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行,分別獲得最大輸出電壓246 mV(2 g/L NaAc+10 mg/L PAEs),259 mV(2g/L NaAc+30 mg/L PAEs),333 m V(2 g/L NaAc+50 mg/L PAEs),相應(yīng)的最大(面積)功率密度分別為23.28 mW/m2,26.67 mW/m2,33.80mW/m2。MFC對(duì)PAEs的降解效率以及COD的去除率可與N-117型Nafion膜達(dá)到同一水平。綜上所述,MFC可有效處理PAEs同時(shí)穩(wěn)定地向外輸出電能,這為鄰苯二甲酸酯類有毒難降解污染物的高效低耗處理提供了一種新的途徑。PVDF-g-SSS接枝膜成功應(yīng)用于雙室MFC,對(duì)推廣MFC的工程應(yīng)用具有重要意義。
【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 鄰苯二甲酸酯 極化曲線 去除率 PVDF-g-SSS質(zhì)子交換膜
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.45
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 課題背景11-12
• 1.2 微生物燃料電池簡(jiǎn)述12-16
• 1.2.1 微生物燃料電池的簡(jiǎn)介12-13
• 1.2.2 微生物燃料電池的燃料13-14
• 1.2.3 微生物燃料電池的發(fā)展前景14-16
• 1.3 燃料電池質(zhì)子交換膜的研究16-18
• 1.3.1 質(zhì)子交換膜燃料電池16
• 1.3.2 質(zhì)子交換膜的種類16-18
• 1.3.3 PVDF膜的改性18
• 1.4 鄰苯二甲酸酯18-21
• 1.4.1 難降解有機(jī)物的性質(zhì)與處理18-19
• 1.4.2 鄰苯二甲酸酯簡(jiǎn)述19-21
• 1.4.3 水中微量PAEs去除的研究現(xiàn)狀21
• 1.5 課題的研究內(nèi)容，目的和意義21-23
• 1.5.1 課題的研究內(nèi)容21-22
• 1.5.2 課題的研究目的和意義22-23
• 第2章 實(shí)驗(yàn)及分析方法23-32
• 2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及反應(yīng)原理23-24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器24-26
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品與試劑24-26
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器26
• 2.3 產(chǎn)電性能的測(cè)定方法26-28
• 2.3.1 輸出電壓和電流、電流密度27
• 2.3.2 功率密度27-28
• 2.3.3 產(chǎn)電性能的表征28
• 2.4 去除效率的分析方法28-32
• 2.4.1 COD的測(cè)定28-29
• 2.4.2 鄰苯二甲酸酯的測(cè)定29-32
• 第3章 雙室MFC的構(gòu)建、啟動(dòng)與運(yùn)行32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 以厭氧污泥為燃料啟動(dòng)MFC32-34
• 3.2.1 接種污泥32
• 3.2.2 污泥馴化32-33
• 3.2.3 MFC的啟動(dòng)33-34
• 3.3 以乙酸鈉為單一燃料運(yùn)行MFC34-36
• 3.3.1 乙酸鈉作MFC燃料的基本原理34-35
• 3.3.2 以乙酸鈉作單一燃料運(yùn)行MFC35-36
• 3.4 乙酸鈉+鄰苯二甲酸酯為混合燃料36-38
• 3.5 不同陽極底物的輸出電壓38-39
• 3.6 本章小結(jié)39-40
• 第4章 MFC降解鄰苯二甲酸酯及其同步產(chǎn)電特性40-49
• 4.1 引言40
• 4.2 MFC產(chǎn)電性能表征40-45
• 4.2.1 極化曲線和功率密度41-43
• 4.2.2 電池內(nèi)阻43-45
• 4.3 MFC的降解效果45-47
• 4.3.1 COD去除率45-46
• 4.3.2 鄰苯二甲酸酯的降解效率46-47
• 4.3.3 MFC閉合回路和開路狀態(tài)下降解效果的比較47
• 4.4 本章小結(jié)47-49
• 第5章 PVDF-g-SSS接枝膜與Nafion膜的對(duì)比49-56
• 5.1 引言49
• 5.2 接枝PVDF-g-SSS質(zhì)子交換膜49-50
• 5.2.1 PVDF膜的接枝改性49-50
• 5.2.2 PVDF-g-SSS質(zhì)子交換膜的制備50
• 5.3 PVDF-g-SSS接枝膜的應(yīng)用50-55
• 5.3.1 輸出電壓50-52
• 5.3.2 極化曲線與功率密度52-54
• 5.3.3 鄰苯二甲酸酯和COD的降解效果54-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 第6章 結(jié)論與展望56-58
• 6.1 結(jié)論56
• 6.2 展望56-58
• 致謝58-59
• 參考文獻(xiàn)59-67
• 附錄 碩士研究生學(xué)習(xí)階段發(fā)表論文67

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本文編號(hào)：979839