本文關(guān)鍵詞：解析泡沫碳及不銹鋼氈結(jié)構(gòu)對微生物膜產(chǎn)電性能的影響，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文從多孔結(jié)構(gòu)與多孔介質(zhì)流體力學(xué)角度研究了網(wǎng)狀玻璃碳(Reticulated vitreous carbon,RVC)和不銹鋼纖維氈(Stainless steel felt,SSF)的結(jié)構(gòu)及其與表面附著電化學(xué)活性微生物膜(Electrochemically active biofilm,EAB)產(chǎn)電性能間的關(guān)系。(1)本文通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)單元分析了RVC與SSF的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:RVC材料的泡沫結(jié)構(gòu)與自然泡沫結(jié)構(gòu)相似,由十二或十四面體組合的泡沫單元構(gòu)成,碳化的柏拉圖通道為EAB的附著生長及電子傳遞提供了規(guī)律交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)平臺和通透的路徑。SSF材料的孔隙結(jié)構(gòu)與RVC相比較不規(guī)律,孔徑波動范圍大,纖維絲表面較粗糙。其結(jié)構(gòu)單元可簡化為不銹鋼纖維絲的三角形結(jié)構(gòu),這種三角形的不銹鋼絲的重復(fù)搭疊為EAB的附著提供了較大的表面積。(2)通過構(gòu)建以不同RVC及SSF材料為工作電極的三電極體系,以平板碳(Polycrystalline graphite,PG)電極為對照,研究了三維(3-Dimensional,3-D)多孔材料結(jié)構(gòu)表面EAB的產(chǎn)電性能。在所選用的材料中,RVC和SSF能有效改善其表面附著EAB的產(chǎn)電性能。其中,在100 PPI(Pores per inch)RVC(33.63 A m-2)與BZ100D(孔徑100μm)SSF(19.79 A m-2)表面附著EAB產(chǎn)生的幾何面積電流密度最高,分別為使用PG(5.11 A m-2)時的6.60倍和3.71倍。(3)結(jié)合RVC及不銹鋼材料的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果,利用比表面積及滲透率為三維多孔材料電極的結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)行分析并總結(jié)了多孔材料結(jié)構(gòu)與其表面附著EAB產(chǎn)電性能的關(guān)系。結(jié)果表明:多孔材料的比表面積、滲透率以及攪拌速度均影響EAB微生物附著量與傳質(zhì)速度,這是能否改善其上附著EAB產(chǎn)電性能的關(guān)鍵;而孔隙率與孔徑則是決定比表面積與滲透率的RVC基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。從理論上,滲透率與比表面積對3-D多孔電極上EAB產(chǎn)生電流的影響隨孔隙率、孔徑的改變而變化,孔隙率越小、孔徑越小滲透率對EAB產(chǎn)電性能的影響越大;孔隙率越大、孔徑越大比表面積對EAB產(chǎn)電性能的影響越大。所以EAB產(chǎn)電性能的提高可通過優(yōu)化多孔材料的孔徑與孔隙率,同時提高多孔材料內(nèi)傳質(zhì)速度而實(shí)現(xiàn)。本文研究中發(fā)現(xiàn)孔徑在124.8μm(100PPI-compressed RVC)至600.9μm(80 PPI RVC)范圍內(nèi)的大孔泡沫材料最適宜微生物膜附著及產(chǎn)電性能的提高,且可進(jìn)行下一步孔徑優(yōu)化。多孔材料孔徑較小的100 PPI RVC受攪拌影響最大,其中1000-1400 rpm為100 PPI RVC上EAB產(chǎn)電性能最高的最佳攪拌速率。當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時,由于不銹鋼氈表面微生物膜生長后期易聯(lián)結(jié)成片造成孔道堵塞,所以具有規(guī)律多面體單元的泡沫碳(孔徑在124.8-600.9μm)較不銹鋼氈更適宜EAB的附著生長及產(chǎn)電性能的提高。(4)應(yīng)用MATLAB進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,對Gibson-Ashby模型與滲透率半經(jīng)驗(yàn)式中實(shí)現(xiàn)比表面積的最大化及提高滲透率的條件進(jìn)行了研究。結(jié)果表明實(shí)現(xiàn)比表面積的最大化(75%孔隙率,小孔徑)與高滲透率的條件(高孔隙率、大孔徑)相矛盾,所以選擇合適的孔隙率、孔徑及滲透率是進(jìn)行多孔材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵。本文中,100 PPI RVC與BZ100D SSF因同時具有高滲透率及高比表面積,是所研究材料范圍內(nèi)作為電化學(xué)活性微生物膜附著載體的最佳結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 比表面積 滲透率 多孔材料 電化學(xué)活性微生物膜(EAB)
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.45
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 文獻(xiàn)綜述11-21
• 1.1 課題背景11-12
• 1.2 微生物燃料電池簡介12-19
• 1.2.1 微生物燃料電池原理12-13
• 1.2.2 微生物燃料電池產(chǎn)電性能分析13-14
• 1.2.3 微生物燃料電池陽極研究現(xiàn)狀14-19
• 1.3 本文的研究內(nèi)容19-21
• 第二章 微生物在RVC表面附著生長及產(chǎn)電特點(diǎn)21-30
• 2.1 引言21
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料21
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備21
• 2.2.2 電極材料21
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法21-25
• 2.3.1 培養(yǎng)基的配制及菌種的培養(yǎng)21-23
• 2.3.2 電極制備23
• 2.3.3 電化學(xué)測試方法23-24
• 2.3.4 其他測試方法24-25
• 2.4 結(jié)果與討論25-28
• 2.4.1 不同RVC結(jié)構(gòu)對微生物產(chǎn)電性能的影響25-27
• 2.4.2 RVC表面微生物膜的形態(tài)表征27-28
• 2.5 本章小結(jié)28-30
• 第三章 RVC結(jié)構(gòu)解析及其對微生物產(chǎn)電特性的影響30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料30
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備30
• 3.2.2 電極材料30
• 3.3 實(shí)驗(yàn)方法30-31
• 3.3.1 培養(yǎng)基的配制及菌種的培養(yǎng)30
• 3.3.2 電極制備30
• 3.3.3 電化學(xué)測試方法30-31
• 3.3.4 其他方法31
• 3.4 結(jié)果與討論31-42
• 3.4.1 RVC多孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)31-33
• 3.4.2 多孔材料比表面積及滲透率33-37
• 3.4.3 比表面積、滲透率與電流密度的關(guān)系37-40
• 3.4.4 多孔材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳質(zhì)的優(yōu)化40-42
• 3.4.5 多孔材料結(jié)構(gòu)解析與微生物膜產(chǎn)電性能的關(guān)系42
• 3.5 本章小結(jié)42-44
• 第四章 不銹鋼氈電極結(jié)構(gòu)對EAB產(chǎn)電性能的影響44-50
• 4.1 引言44
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料44
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備44
• 4.2.2 電極材料44
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方法44-45
• 4.3.1 培養(yǎng)基的配制及菌種的培養(yǎng)44
• 4.3.2 SSF電極制備44
• 4.3.3 電化學(xué)測試方法44
• 4.3.4 掃描電子顯微鏡44-45
• 4.4 結(jié)果與討論45-49
• 4.4.1 SSF結(jié)構(gòu)特征45-47
• 4.4.2 SSF對微生物產(chǎn)電性能的影響47-48
• 4.4.3 SSF結(jié)構(gòu)及表面微生物膜的形態(tài)表征48-49
• 4.5 本章小結(jié)49-50
• 第五章 結(jié)論及展望50-51
• 5.1 結(jié)論50
• 5.2 展望50-51
• 參考文獻(xiàn)51-57
• 致謝57-58
• 作者簡介58

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  本文關(guān)鍵詞：解析泡沫碳及不銹鋼氈結(jié)構(gòu)對微生物膜產(chǎn)電性能的影響，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：488881