本文關(guān)鍵詞： 微生物燃料電池 生物膜 質(zhì)子傳輸 性能強(qiáng)化 放大化　出處：《重慶大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：眾所周知，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題是21世紀(jì)人類面臨的兩大難題，它們嚴(yán)重制約著人類的生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。傳統(tǒng)的化石能源日益趨近于枯竭，而且環(huán)境問(wèn)題尤其是水體污染日益突出。此外傳統(tǒng)污水處理行業(yè)一直是“高投入、零產(chǎn)出”。因此，尋求清潔的新能源和新的污水處理工藝是當(dāng)務(wù)之急。在此背景下，微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC），一種可以將廢水中有機(jī)物所蘊(yùn)含的能量進(jìn)行回收利用的新型可再生能源裝置，以其處理污水的同時(shí)回收電能這一獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生，這為環(huán)境保護(hù)、提高能源利用率和發(fā)展可持續(xù)能源都具有重大意義。 近些年來(lái)MFC技術(shù)發(fā)展很快，其功率密度從0.1mW m-2被提升到6800mWm-2，但這還不足以面向?qū)嶋H應(yīng)用。因此，為了進(jìn)一步提升MFC性能，研究者們對(duì)MFC性能影響因素進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。影響MFC性能的因素很多，其中最重要的因素之一就是MFC中物質(zhì)傳輸尤其是質(zhì)子的傳輸。研究者表明陽(yáng)極生物膜內(nèi)質(zhì)子的傳輸是MFC性能的限制性因素，而且陰極pH對(duì)空氣陰極的性能影響很大。隨著MFC的運(yùn)行，較差的質(zhì)子傳輸效果導(dǎo)致MFC陰、陽(yáng)極之間的質(zhì)子梯度不斷增大，極大地限制了MFC的性能。同時(shí)，面臨未來(lái)實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)MFC進(jìn)行放大化研究從而提高M(jìn)FC的功率，而且從經(jīng)濟(jì)和環(huán)保角度而言，質(zhì)子交換膜和磷酸緩沖液不再適用于未來(lái)放大化的MFC。 針對(duì)以上問(wèn)題，本文從工程熱物理學(xué)科角度出發(fā)，立足于強(qiáng)化物質(zhì)傳輸和提升MFC性能，設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)的MFC反應(yīng)器，針對(duì)不同傳質(zhì)類型的MFC傳輸特性及性能特性進(jìn)行了研究。研究?jī)?nèi)容主要分為三個(gè)部分：（1）采用電極陣列電極對(duì)矩形MFC進(jìn)行放大化研究，并研究了不同陣列排列形式（叉排或順排）對(duì)升級(jí)MFC啟動(dòng)、性能、電流分布和污水處理效果的影響，同時(shí)還揭示了放大化MFC陽(yáng)極存在的電流分布不均現(xiàn)象；構(gòu)建了三合一膜電極式MFC，并研究了陽(yáng)極不同傳質(zhì)形式對(duì)其啟動(dòng)和性能的影響；（2）構(gòu)建基于對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)的平板式MFC，研究了不同外接電阻啟動(dòng)條件下MFC啟動(dòng)特性、陽(yáng)極生物膜成膜及物質(zhì)傳輸特性和產(chǎn)電特性；構(gòu)建了平板式MFC串聯(lián)電堆并研究了電堆的性能及限制性因素，針對(duì)串聯(lián)電堆存在的子電池反極現(xiàn)象提出了改善措施；（3）構(gòu)建了通流式MFC，研究了其質(zhì)子傳輸特性和性能特性，并對(duì)其陽(yáng)極生物膜傳輸特性進(jìn)行數(shù)值模擬；構(gòu)建空氣陰極通流式MFC，研究了電解液流量、底物濃度、電解液離子強(qiáng)度和陰極圓孔柱結(jié)構(gòu)對(duì)空氣陰極通流式MFC性能的影響；構(gòu)造了漂浮式空氣陰極環(huán)流MFC，研究了無(wú)緩沖液下環(huán)流MFC運(yùn)行的可行性及循環(huán)流速對(duì)MFC質(zhì)子傳輸、性能及污水處理效果的影響。主要研究成果如下： 1)研究了陣列電極排列方式對(duì)升級(jí)MFC啟動(dòng)及性能的影響。研究結(jié)果表明：與采用順排電極陣列的MFC相比而言，采用叉排電極陣列的MFC不但啟動(dòng)速度較快，啟動(dòng)完成后最高功率密度（23.8W m-3）要高24.6%；叉排和順排電極陣列方式的MFC均出現(xiàn)明顯的陽(yáng)極電流分布不均現(xiàn)象，但是電極陣列采用叉排的MFC陽(yáng)極電流分布不均勻程度稍��；序批方式下，兩種排列方式的MFC COD去除率相近似，均可高達(dá)81%以上，但是電極采用叉排方式排列的MFC庫(kù)倫效率較高。 2)揭示了放大化后MFC陽(yáng)極電流密度分布不均現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，升級(jí)電極陣列MFC中，陽(yáng)極電流沿著陰、陽(yáng)極兩電極距離的方向出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象：距離陰極電極越遠(yuǎn)的陽(yáng)極電極對(duì)電池的總電流貢獻(xiàn)越小，而且其不均勻分布程度隨著電池的電流增加而加劇。分析研究表明，這主要是由于陽(yáng)極各部分電極與陰極電極不同的距離導(dǎo)致其歐姆內(nèi)阻分布均勻，在啟動(dòng)階段致使陽(yáng)極各部分電極上形成的陽(yáng)極生物膜不均勻。在產(chǎn)電過(guò)程中，歐姆內(nèi)阻和陽(yáng)極生物膜分布不均最終導(dǎo)致了陽(yáng)極電流分布不均。針對(duì)電流分布不均，可采用增加陽(yáng)極電解液的COD濃度或者離子強(qiáng)度來(lái)減小MFC陽(yáng)極電流分布不均的程度。 3)研究了陽(yáng)極傳質(zhì)形式對(duì)三合一矩形MFC性能的影響。研究表明，由于PEM膜面積增加和陰、陽(yáng)極電極間間距小導(dǎo)致其最高功率密度（2149.0mW m-2）高于實(shí)驗(yàn)室前期H型MFC（310mW m-2）和矩形MFC（745mW m-2）。與采用大腔室（擴(kuò)散傳質(zhì)）的MFC相比，陽(yáng)極采用蛇形流道（對(duì)流擴(kuò)散傳質(zhì)）的三合一矩形MFC不但啟動(dòng)速度較快，而且最大功率密度要高24.5%。 4)研究了不同外接電阻啟動(dòng)條件下MFC啟動(dòng)特性、陽(yáng)極生物膜成膜特性和性能特性。研究結(jié)果表明，采用較小的電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程中電流較大，但啟動(dòng)速度較慢；啟動(dòng)過(guò)程中的能量獲得不同會(huì)導(dǎo)致MFC陽(yáng)極生物膜中活性生物量和EPS成分含量的不同，從而導(dǎo)致生物膜的結(jié)構(gòu)有所不同。采用較小外阻啟動(dòng)的MFC陽(yáng)極生物膜具有較大的生物量和較大的EPS含量，呈現(xiàn)出較厚生物膜厚度，最終導(dǎo)致生物膜電化學(xué)活性較高，MFC最大功率密度也較大；然而，當(dāng)啟動(dòng)外阻降低到過(guò)小值時(shí)，MFC陽(yáng)極生物膜中EPS含量劇增，然而活性生物量反而減少。同時(shí)，生物膜的多孔隙結(jié)構(gòu)有利于物質(zhì)的傳輸，但也導(dǎo)致了生物膜導(dǎo)電性的降低。這最終導(dǎo)致了采用過(guò)小外阻啟動(dòng)的MFC雖然具有較大的電流密度，，但是其最大功率密度較低。 5)研究了物質(zhì)傳輸對(duì)平板式MFC陽(yáng)極生物膜成膜及性能的影響。研究結(jié)果表明，流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)使底物分布在槽道處，這導(dǎo)致陽(yáng)極生物膜主要分布在與槽道相對(duì)應(yīng)的碳布表面。同時(shí)，較厚的生物膜阻礙了物質(zhì)向碳布內(nèi)側(cè)的傳輸，導(dǎo)致生物膜僅分布在碳布電極表面；采用蛇形流道MFC的最大功率密度隨著陽(yáng)極底物流速的增加先急劇增加后基本維持不變，隨著陽(yáng)極底物濃度的增加先急劇增加后逐步減小，陽(yáng)極采用交指流場(chǎng)后由于較佳的物質(zhì)傳輸致使MFC性能提高14.8%；由于交指流道較佳的傳質(zhì)和平板式電池結(jié)構(gòu)較小的內(nèi)阻，致使陰極采用交指流道的MFC的最大功率密度相對(duì)于H型MFC大大提高，其電池性能隨陰極電子受體濃度的增加而增加，而幾乎不受陰極水力停留時(shí)間的影響。 6)研究了平板式MFC串聯(lián)電堆的性能。平板式MFC串聯(lián)堆在電壓高達(dá)2.11V時(shí)到達(dá)最高功率密度（2226mW m-2）。然而，在較大電流時(shí)發(fā)生的子電池電壓反極現(xiàn)象限制了串聯(lián)堆功率密度的進(jìn)一步增加；適度增加反極電池陰陽(yáng)極電解液流量可促使電堆性能大幅度提高；采用混聯(lián)方式運(yùn)行可提高電堆的可運(yùn)行的最大電流，一定程度上避免了子電池電壓反極現(xiàn)象，從而提升了其性能；移除電壓反極的子電池并不能有效地避免反極現(xiàn)象的發(fā)生；反接反極電池反而會(huì)進(jìn)一步加劇反極電池的反極，致使電堆性能更低。 7)構(gòu)建新型質(zhì)子傳輸方式的通流式MFC并研究了其質(zhì)子傳輸及性能特性。研究結(jié)果表明，由于紡織物的可滲透性，在流動(dòng)的情況下，強(qiáng)化了通流式MFC中質(zhì)子從陽(yáng)極到陰極的傳輸，從而大幅提升了MFC性能；而且，一定流量范圍內(nèi)，增加電解液流量會(huì)強(qiáng)化質(zhì)子傳輸，導(dǎo)致MFC性能的提高。 8)通流式MFC陽(yáng)極生物膜傳輸特性進(jìn)行數(shù)值模擬。將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，在小電流范圍內(nèi)二者基本吻合，然而在大電流然而在大電流下模擬值要高于實(shí)驗(yàn)值，這主要是模擬中沒(méi)有考慮pH對(duì)生物膜反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響等因素造成的。模擬結(jié)果表明，MFC陽(yáng)極生物膜內(nèi)電勢(shì)和電流呈現(xiàn)一維分布，電勢(shì)和電流均隨著距離陽(yáng)極電極板距離的增大而減小。陽(yáng)極生物膜內(nèi)乙酸鈉濃度和pH隨著陽(yáng)極電極板垂直距離的增加而增加，且沿著流動(dòng)方向逐步降低。隨著陽(yáng)極電勢(shì)的增加，MFC陽(yáng)極電流增加，生物膜內(nèi)乙酸鈉濃度和pH降低而且其分布不均勻程度增加。 9)研究了空氣陰極通流式MFC的性能特性。研究結(jié)果表明，在電流約為2.5mA時(shí)到達(dá)最大功率密度（約為622mW m-2），空氣陰極較大的活化損失是其性能的限制性因素；在一定流量范圍內(nèi)，其性能隨著電解液流量的增加先增加，當(dāng)增加到一定程度后性能不再增加；在一定范圍內(nèi)，其性能隨著陽(yáng)極電解液COD和緩沖液濃度的增加而增加；空氣陰極圓柱采用圓孔陣列結(jié)構(gòu)時(shí)比采用沿著流動(dòng)方向的直槽結(jié)構(gòu)時(shí)MFC獲得的性能要高28.6%。 10)構(gòu)造了漂浮式空氣陰極環(huán)流式MFC，研究了采用陽(yáng)極電解液循環(huán)運(yùn)行方式替代磷酸緩沖液的可行性。研究結(jié)果表明，與有磷酸緩沖液條件運(yùn)行下相比，無(wú)緩沖液條件下MFC（50外阻下）輸出功率要低27%，最大性能要低9.7%，但是其庫(kù)倫效率卻要高64.2%，這表明此種運(yùn)行方式在無(wú)磷酸緩沖液下時(shí)可行的，而且具有較大的應(yīng)用前景；當(dāng)增加電解液流量，氫離子傳輸明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致MFC性能和庫(kù)倫效率提高；然而，當(dāng)進(jìn)一步增大電解液流量，由于過(guò)多的氧氣傳輸?shù)疥?yáng)極室，這導(dǎo)致性能和庫(kù)倫效率的降低。當(dāng)電解液流量為0.35ml min-1時(shí)無(wú)磷酸緩沖液條件下MFC獲得最高的最大性能為1.32mW），最大庫(kù)倫效率為16.6%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM911.45

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊冰;高海軍;張自強(qiáng);;微生物燃料電池研究進(jìn)展[J];生命科學(xué)儀器;2007年01期

2 王愛(ài)軍,王鳳山,王友聯(lián),曹吉超,王寵;低濃度蛋白質(zhì)含量測(cè)定方法的研究[J];中國(guó)生化藥物雜志;2003年02期

本文編號(hào)：1493043