本文關(guān)鍵詞： 微生物燃料電池 生物膜 質(zhì)子傳輸 性能強化 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，能源問題和環(huán)境問題是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物所蘊含的能量進行回收利用的新型可再生能源裝置，以其處理污水的同時回收電能這一獨特的優(yōu)勢應(yīng)運而生，這為環(huán)境保護、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，為了進一步提升MFC性能，研究者們對MFC性能影響因素進行了大量實驗研究。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對空氣陰極的性能影響很大。隨著MFC的運行，較差的質(zhì)子傳輸效果導(dǎo)致MFC陰、陽極之間的質(zhì)子梯度不斷增大，極大地限制了MFC的性能。同時，面臨未來實際應(yīng)用，需要對MFC進行放大化研究從而提高MFC的功率，而且從經(jīng)濟和環(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放大化的MFC。 針對以上問題，本文從工程熱物理學(xué)科角度出發(fā)，立足于強化物質(zhì)傳輸和提升MFC性能，設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)的MFC反應(yīng)器，針對不同傳質(zhì)類型的MFC傳輸特性及性能特性進行了研究。研究內(nèi)容主要分為三個部分：（1）采用電極陣列電極對矩形MFC進行放大化研究，并研究了不同陣列排列形式（叉排或順排）對升級MFC啟動、性能、電流分布和污水處理效果的影響，同時還揭示了放大化MFC陽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，并研究了陽極不同傳質(zhì)形式對其啟動和性能的影響；（2）構(gòu)建基于對流擴散傳質(zhì)的平板式MFC，研究了不同外接電阻啟動條件下MFC啟動特性、陽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，并對其陽極生物膜傳輸特性進行數(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、電解液離子強度和陰極圓孔柱結(jié)構(gòu)對空氣陰極通流式MFC性能的影響；構(gòu)造了漂浮式空氣陰極環(huán)流MFC，研究了無緩沖液下環(huán)流MFC運行的可行性及循環(huán)流速對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升級MFC啟動及性能的影響。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不但啟動速度較快，啟動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)明顯的陽極電流分布不均現(xiàn)象，但是電極陣列采用叉排的MFC陽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81%以上，但是電極采用叉排方式排列的MFC庫倫效率較高。 2)揭示了放大化后MFC陽極電流密度分布不均現(xiàn)象。實驗結(jié)果表明，升級電極陣列MFC中，陽極電流沿著陰、陽極兩電極距離的方向出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象：距離陰極電極越遠的陽極電極對電池的總電流貢獻越小，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，在啟動階段致使陽極各部分電極上形成的陽極生物膜不均勻。在產(chǎn)電過程中，歐姆內(nèi)阻和陽極生物膜分布不均最終導(dǎo)致了陽極電流分布不均。針對電流分布不均，可采用增加陽極電解液的COD濃度或者離子強度來減小MFC陽極電流分布不均的程度。 3)研究了陽極傳質(zhì)形式對三合一矩形MFC性能的影響。研究表明，由于PEM膜面積增加和陰、陽極電極間間距小導(dǎo)致其最高功率密度（2149.0mW m-2）高于實驗室前期H型MFC（310mW m-2）和矩形MFC（745mW m-2）。與采用大腔室（擴散傳質(zhì)）的MFC相比，陽極采用蛇形流道（對流擴散傳質(zhì)）的三合一矩形MFC不但啟動速度較快，而且最大功率密度要高24.5%。 4)研究了不同外接電阻啟動條件下MFC啟動特性、陽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，啟動過程中電流較大，但啟動速度較慢；啟動過程中的能量獲得不同會導(dǎo)致MFC陽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。采用較小外阻啟動的MFC陽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)啟動外阻降低到過小值時，MFC陽極生物膜中EPS含量劇增，然而活性生物量反而減少。同時，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)致了采用過小外阻啟動的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)傳輸對平板式MFC陽極生物膜成膜及性能的影響。研究結(jié)果表明，流場板結(jié)構(gòu)使底物分布在槽道處，這導(dǎo)致陽極生物膜主要分布在與槽道相對應(yīng)的碳布表面。同時，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極底物流速的增加先急劇增加后基本維持不變，隨著陽極底物濃度的增加先急劇增加后逐步減小，陽極采用交指流場后由于較佳的物質(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2.11V時到達最高功率密度（2226mW m-2）。然而，在較大電流時發(fā)生的子電池電壓反極現(xiàn)象限制了串聯(lián)堆功率密度的進一步增加；適度增加反極電池陰陽極電解液流量可促使電堆性能大幅度提高；采用混聯(lián)方式運行可提高電堆的可運行的最大電流，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進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，在流動的情況下，強化了通流式MFC中質(zhì)子從陽極到陰極的傳輸，從而大幅提升了MFC性能；而且，一定流量范圍內(nèi)，增加電解液流量會強化質(zhì)子傳輸，導(dǎo)致MFC性能的提高。 8)通流式MFC陽極生物膜傳輸特性進行數(shù)值模擬。將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了比較，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驗值，這主要是模擬中沒有考慮pH對生物膜反應(yīng)動力學(xué)的影響等因素造成的。模擬結(jié)果表明，MFC陽極生物膜內(nèi)電勢和電流呈現(xiàn)一維分布，電勢和電流均隨著距離陽極電極板距離的增大而減小。陽極生物膜內(nèi)乙酸鈉濃度和pH隨著陽極電極板垂直距離的增加而增加，且沿著流動方向逐步降低。隨著陽極電勢的增加，MFC陽極電流增加，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時到達最大功率密度（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)時比采用沿著流動方向的直槽結(jié)構(gòu)時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，研究了采用陽極電解液循環(huán)運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行下相比，無緩沖液條件下MFC（50外阻下）輸出功率要低27%，最大性能要低9.7%，但是其庫倫效率卻要高64.2%，這表明此種運行方式在無磷酸緩沖液下時可行的，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，導(dǎo)致MFC性能和庫倫效率提高；然而，當(dāng)進一步增大電解液流量，由于過多的氧氣傳輸?shù)疥枠O室，這導(dǎo)致性能和庫倫效率的降低。當(dāng)電解液流量為0.35ml min-1時無磷酸緩沖液條件下MFC獲得最高的最大性能為1.32mW），最大庫倫效率為16.6%。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM911.45

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

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

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

本文編號：1493043