本文關(guān)鍵詞：微生物燃料電池電極材料的優(yōu)化研究

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【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cell, MFC)是一種清潔能源技術(shù),能在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能,進(jìn)而節(jié)約污水處理成本,提高能源利用效率,具有良好的發(fā)展前景。但目前該技術(shù)仍然沒(méi)有在實(shí)際中得到應(yīng)用,這主要是由于其產(chǎn)電性能偏低,電極成本過(guò)高導(dǎo)致的。本文選擇雙室MFC作為實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器,分別通過(guò)陰陽(yáng)極碳基材料的篩選和納米顆粒的修飾,來(lái)改善MFC的產(chǎn)電性能。首先通過(guò)陽(yáng)極碳基材料的篩選,選擇產(chǎn)電性能較好的碳刷作為陽(yáng)極碳基材料,并分別使用CNTs、納米LiMn2O4、納米Fe304顆粒對(duì)碳刷進(jìn)行修飾,然后作為MFC的陽(yáng)極研究其產(chǎn)電效果。結(jié)果表明,三種納米顆粒對(duì)陽(yáng)極的修飾分別使MFC穩(wěn)定后的電壓提高了7.9%、21.8%、27.8%,功率密度提高了1.9%、27.5%、37.2%,內(nèi)阻降低了15.6%、18.4%、24.7%,庫(kù)倫效率提高了8%、21.8%、27.8%,且納米顆粒的修飾還能加速M(fèi)FC的啟動(dòng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出,使用納米Fe304顆粒對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行修飾,能夠有效提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能。使用納米Fe304顆粒修飾的碳刷作為MFC的陽(yáng)極,并進(jìn)一步進(jìn)行陰極材料的優(yōu)化研究。通過(guò)對(duì)陰極碳基材料的篩選,選擇產(chǎn)電性能相對(duì)較好的碳?xì)肿鳛殛帢O碳基材料,并分別使用CNTs、納米LiMn2O4、納米Fe304顆粒對(duì)碳?xì)诌M(jìn)行修飾,然后作為MFC的陰極研究其產(chǎn)電效果。結(jié)果表明,三種納米顆粒對(duì)陰極的修飾分別使MFC穩(wěn)定后的電壓提高了3.5%、4.9%、15.2%,最大功率密度提高了6.5%、6.6%、30.8%,庫(kù)倫效率提高了3.3%、3.9%、13.2%,內(nèi)阻降低了3.5%、7.4%、32.6%。通過(guò)對(duì)陽(yáng)極材料和陰極材料的篩選和優(yōu)化,最后使用納米Fe304修飾的碳刷作為陽(yáng)極和納米Fe304修飾的碳?xì)肿鳛殛帢O的MFC取得了較好的產(chǎn)電效果,其穩(wěn)定后的輸出電壓達(dá)到了326mV,最大功率密度可達(dá)302.3mW/m2,庫(kù)倫效率提高到了8.66%,電池內(nèi)阻降低到了489.2fΩ。這表明了陰陽(yáng)極的修飾對(duì)MFC的性能有了較大幅度的提升。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步通過(guò)MiSeq高通量測(cè)序技術(shù),對(duì)陰陽(yáng)極室和其接種污泥的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,陽(yáng)極室污泥中與產(chǎn)電相關(guān)的微生物的種類(lèi)和豐度均高于其他泥樣,兩個(gè)陽(yáng)極室的微生物群落結(jié)構(gòu)較為相似,但經(jīng)過(guò)納米Fe304修飾的碳刷陽(yáng)極表面與產(chǎn)電相關(guān)微生物的豐度高于未經(jīng)修飾的陽(yáng)極。這表明納米顆粒的修飾有助于產(chǎn)電微生物在電極材料表面富集,這也是修飾后的陽(yáng)極材料能夠提高M(jìn)FC產(chǎn)電性能的主要原因。
【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 電極材料 納米顆粒 產(chǎn)電性能 微生物群落結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TM911.45;X703
【目錄】：

• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第一章 緒論16-30
• 1.1 研究背景及意義16-17
• 1.2 微生物燃料電池概述17-20
• 1.2.1 微生物燃料電池基本原理和分類(lèi)17-18
• 1.2.2 微生物燃料電池研究進(jìn)展18
• 1.2.3 微生物燃料電池的應(yīng)用18-20
• 1.3 MFC電極材料研究進(jìn)展20-26
• 1.3.1 陽(yáng)極材料20-21
• 1.3.2 陽(yáng)極材料修飾21-25
• 1.3.3 生物陰極和材料研究25-26
• 1.4 課題研究的目的和主要內(nèi)容26-30
• 1.4.1 研究目的26
• 1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容26-27
• 1.4.3 技術(shù)路線27-30
• 第二章 實(shí)驗(yàn)材料和方法30-38
• 2.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)30-31
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方案31
• 2.3 實(shí)驗(yàn)材料31-33
• 2.3.1 接種污泥31-32
• 2.3.2 培養(yǎng)液32
• 2.3.3 電極材料及預(yù)處理32-33
• 2.4 MFC的啟動(dòng)與運(yùn)行33-35
• 2.5 材料分析和測(cè)試分析計(jì)算35-38
• 2.5.1 電壓采集35
• 2.5.2 庫(kù)倫效率計(jì)算方法35-36
• 2.5.3 極化曲線和功率密度曲線的測(cè)定36-37
• 2.5.4 掃描電鏡(SEM)表征37
• 2.5.5 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定37-38
• 第三章 陽(yáng)極材料對(duì)MFC性能影響38-52
• 3.1 碳基材料陽(yáng)極的優(yōu)選38-43
• 3.1.1 MFC的啟動(dòng)及電壓變化38-40
• 3.1.2 穩(wěn)定階段產(chǎn)電性能40-41
• 3.1.3 庫(kù)倫效率和COD去除率41-42
• 3.1.4 陽(yáng)極微生物生長(zhǎng)情況42-43
• 3.2 修飾陽(yáng)極對(duì)MFC產(chǎn)電性能的影響43-49
• 3.2.1 納米材料簡(jiǎn)介43
• 3.2.2 電極材料修飾43-45
• 3.2.3 MFC的啟動(dòng)及電壓變化45-46
• 3.2.4 穩(wěn)定階段產(chǎn)電性能46-47
• 3.2.5 庫(kù)倫效率和COD去除率47-48
• 3.2.6 微生物掃描電鏡48-49
• 3.3 小結(jié)49-52
• 第四章 陰極材料對(duì)MFC性能影響52-62
• 4.1 碳基材料陰極的優(yōu)選52-55
• 4.1.1 MFC的啟動(dòng)及電壓變化52-54
• 4.1.2 穩(wěn)定階段產(chǎn)電性能54
• 4.1.3 庫(kù)倫效率和COD去除率54-55
• 4.2 修飾陰極對(duì)MFC性能影響55-60
• 4.2.1 電極材料修飾及表征56-57
• 4.2.2 MFC的啟動(dòng)及電壓變化57-58
• 4.2.3 穩(wěn)定階段產(chǎn)電性能58-59
• 4.2.4 庫(kù)倫效率和COD去除率59-60
• 4.3 小結(jié)60-62
• 第五章 微生物群落結(jié)構(gòu)分析62-76
• 5.1 實(shí)驗(yàn)方法62-63
• 5.2 DNA濃度及測(cè)序系列統(tǒng)計(jì)63-64
• 5.2.1 樣品DNA提取液的純度和濃度63
• 5.2.2 樣品測(cè)序序列統(tǒng)計(jì)63-64
• 5.3 樣品中細(xì)菌群落多樣性分析64-66
• 5.4 樣品中細(xì)菌群落組成分析66-71
• 5.4.1 細(xì)菌門(mén)類(lèi)豐度的變化66-67
• 5.4.2 主要門(mén)類(lèi)中綱的豐度變化67-68
• 5.4.3 樣品中主要屬的豐度68-71
• 5.5 與產(chǎn)電相關(guān)的微生物群落分析71-72
• 5.6 群落結(jié)構(gòu)相似性分析72-73
• 5.7 小結(jié)73-76
• 第六章 結(jié)論76-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 致謝82-84
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文84-86
• 導(dǎo)師及作者簡(jiǎn)介86-88
• 附件88-89

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 趙慶良;張金娜;尤世界;姜s，

本文編號(hào)：625437