本文關鍵詞：微生物燃料電池水動力學與生物電化學模型的研究

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【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cells:MFCs)是一種利用微生物氧化有機物或無機物并同時產(chǎn)生電能的裝置,近年來已成為污水處理領域研究的熱點。目前MFC的研究工作主要集中在尋找高電活性的微生物、合適的電子受體、良好的電極材料及其修飾方法以及探索反應器構型等方面。盡管水動力學是影響MFC內部傳質和反應的重要因素,但關于MFC水動力學的研究少之又少。MFC的運行包含傳質、生化、物化和電化學等過程,機理十分復雜,通過數(shù)學建模的方法有助于深入理解MFC的運行機制,然而,目前關于MFC模型的報道相對較少,尤其是針對無中介體添加的MFC系統(tǒng)。本文在前人研究的基礎上,探索了水動力學對電膜生物反應器(一種新型的MFC)性能的影響并構建了一維多種群無介體雙室MFC的生物電化學模型,具體研究內容和結果如下： 1.采用鋰離子在四個不同的水力停留時間(HRT)下對電膜生物反應器(EMBR)進行示蹤實驗,利用多釜串聯(lián)(TIS)模型、軸向擴散(AD)模型和Martin模型分析示蹤實驗的結果,得到EMBR的死體積和短流等重要信息,并闡述了死體積隨HRT的變化情況。和TIS及AD相比,Martin模型可以更好的描述反應器的流動狀態(tài)且能夠準確預測反應器的死體積,其模擬結果表明EMBR內部存在三個不同的流動區(qū)域。采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics)方法分析了EMBR的內部流場,發(fā)現(xiàn)EMBR流態(tài)在反應器運行40s之后即可達到穩(wěn)定。通過可視化云圖得到死區(qū)在EMBR內部的分布情況,發(fā)現(xiàn)死區(qū)主要位于反應器的底部以及頂部外側。此外,速度矢量場模擬結果說明了反應器內部存在短流的必然性。研究結果同時發(fā)現(xiàn)EMBR的電流密度與DO濃度和死體積的乘積呈正相關,而HRT是影響EMBR死體積大小及陰極平均DO濃度的直接因素,因此確定合適的水力條件對提高EMBR產(chǎn)電性能至關重要。 2.構建了基于生物膜的一維多種群無介體雙室MFC模型,模型圍繞陽極展開,主要包含生化反應、電化學反應、傳質過程以及酸堿平衡及氣液轉換等內容。利用所建立的模型考察了底物的進料濃度、進料流量、初始生物濃度以及產(chǎn)電菌的初始比例等四個重要因素對MFC的電流密度、庫倫效率和甲烷產(chǎn)量的影響。模擬結果發(fā)現(xiàn)當?shù)孜餄舛群瓦M料流量較低時,陽極產(chǎn)甲烷菌相比產(chǎn)電菌更活躍,MFC產(chǎn)能較低。增加底物的進料濃度和流量可以提高MFC的電流密度和庫倫效率。此外,陽極生物膜上的初始微生物濃度會改變膜內的傳質速率進而對MFC的產(chǎn)電造成影響。
【關鍵詞】：微生物燃料電池 電膜生物反應器 水力特性 生物電化學模型
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X703;TM911.45
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目錄9-12
• 第1章 文獻綜述12-25
• 1.1 能源危機及水資源問題12-13
• 1.1.1 能源危機12-13
• 1.1.2 水資源問題13
• 1.2 微生物燃料電池13-17
• 1.2.1 微生物燃料電池的發(fā)展歷程13-14
• 1.2.2 微生物燃料電池的工作原理14-15
• 1.2.3 MFC陽極胞外電子傳遞機制15-17
• 1.2.4 微生物燃料電池的研究進展17
• 1.3 生化反應器的水動力學17-21
• 1.3.1 水動力學對生化反應器性能的影響18
• 1.3.2 水動力學的研究手段18
• 1.3.3 生物反應器水動力學的研究進展18-21
• 1.4 MFC生物電化學模型的研究21-23
• 1.4.1 建立MFC生物電化學模型的意義21
• 1.4.2 MFC模型的研究進展21-23
• 1.5 本文的研究內容、目的和意義23-25
• 第2章 電膜生物反應器(EMBR)的水動力學研究25-44
• 2.1 引言25
• 2.2 材料與方法25-27
• 2.2.1 EMBR的組裝與運行25-26
• 2.2.2 示蹤實驗及測試方法26-27
• 2.3 幾種非理想流動模型的建立與應用27-31
• 2.3.1 停留時間分布的相關定義27-28
• 2.3.2 非理想流動模型的建立28-31
• 2.4 EMBR的計算流體動力學模擬31-34
• 2.4.1 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分31-32
• 2.4.2 邊界條件和參數(shù)設置32-34
• 2.5 EMBR陰極溶解氧濃度分布模型34-36
• 2.6 結果與討論36-43
• 2.6.1 示蹤試驗36
• 2.6.2 三種非理想流動模型的模擬結果36-40
• 2.6.3 EMBR流態(tài)的可視化分析40-41
• 2.6.4 水力特性對EMBR性能的影響41-43
• 2.7 小結43-44
• 第3章 無介體MFC的生物電化學模型44-56
• 3.1 引言44
• 3.2 模型的建立44-51
• 3.2.1 生化過程45
• 3.2.2 電化學過程45-46
• 3.2.3 生物膜內部的傳質過程46-48
• 3.2.4 電勢模型48-49
• 3.2.5 酸堿平衡及氣液轉換及過程49-51
• 3.3 結果與討論51-55
• 3.3.1 陽極生物膜的生長51
• 3.3.2 不同因素對電流密度的影響51-53
• 3.3.3 不同因素對庫倫效率的影響53-54
• 3.3.4 不同因素對甲烷產(chǎn)量的影響54-55
• 3.4 小結55-56
• 第4章 總結56-58
• 參考文獻58-70
• 致謝70-72
• 在讀期間發(fā)表的學術論文和學術成果72

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：885976