本文關(guān)鍵詞：石墨烯氧化物氣凝膠修飾三維陽極用于微生物燃料電池產(chǎn)電性能的研究

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【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cell,簡稱MFC)技術(shù)能夠?qū)U水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能,這一技術(shù)為目前水處理領(lǐng)域所倡導(dǎo)的“由高能耗向低能耗乃至零能耗”的發(fā)展目標(biāo)提供了可能性,但目前MFC產(chǎn)電性能低阻礙了其作為一種新型廢水處理工藝裝置的發(fā)展。其中,陽極作為MFC的核心組成部分,其電子傳遞速率的大小以及其在長期運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性是決定MFC能否用于實(shí)際廢水處理的關(guān)鍵。因此,本文從提高陽極性能和電池產(chǎn)電性能出發(fā),選擇石墨烯氧化物(Graphene oxide,GO)作為額修飾材料,三維電極材料為陽極基材(如石墨刷GFB、不銹鋼刷SSB、泡沫鎳Ni-foam),通過一步冷凍干燥法將二者復(fù)合制得具有高比表面積和導(dǎo)電性、良好生物相容性和穩(wěn)定性的3D石墨烯氧化物氣凝膠(3D GOA)陽極材料,顯著提高了MFC的產(chǎn)電性能,并且將其應(yīng)用于實(shí)際米粉廢水能量回收,通過控制不同運(yùn)行模式驗(yàn)證了該修飾陽極能夠明顯提高能量回收。首先,通過控制單變量因素探究了GOA修飾濃度和不同3D電極基材對MFC產(chǎn)電性能的影響。結(jié)果顯示,GOA濃度越高,對應(yīng)MFC的產(chǎn)電性能越強(qiáng),其中最大濃度5mg/mL GOA修飾GFB陽極MFC對應(yīng)的功率密度最高,為1204.5 mW/m2;不同陽極基材修飾GOA陽極影響MFC產(chǎn)電性能,與兩種金屬陽極(SSB和Ni-foam)相比,GFB憑借其巨大的比表面積、良好的生物相容性以及不會發(fā)生腐蝕作用成為GOA修飾的最佳陽極基材,GOA-GFB-MFC在兩個月的運(yùn)行時間中獲得最高的功率密度(714 mW/m2)分別為GOA-SSB和GOA-Ni-foam陽極MFCs的1.5倍和6倍;值得一提的是,GOA修飾陽極在運(yùn)行過程中會被Shewanella oneidensis MR-1菌原位還原為MRGOA,提高了GOA修飾陽極的電子傳遞速率,從而使得MFC的性能得以提升。目前,通過修飾陽極材料或選擇性能優(yōu)良的3D陽極來提升MFC產(chǎn)電性能的研究眾多,卻很少有人關(guān)注陽極基材在長期運(yùn)行中的變化以及MFC在這一過程中性能的變化,然而,MFC的長期運(yùn)行穩(wěn)定性是其能否真正應(yīng)用于實(shí)際的關(guān)鍵因素。因此,本文第二部分通過研究3D GOA-GFB陽極MFC在18個月中的性能變化來探究3D GOA修飾對MFC長期運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。18個月運(yùn)行結(jié)果表明,GOA-GFB是一種能夠保持長期高效穩(wěn)定的電容性陽極材料,其在18個月過程中,電池的最大功率密度持續(xù)上升,從15.2±2.8 W/m~3(2個月)增加到38.3±3.8 W/m~3(9個月),最后達(dá)到53.8±6.0 W/m~3(18個月)。最后,基于前期研究發(fā)現(xiàn)3D GOA-GFB陽極具有優(yōu)良的電容性能,故而本文第三部分將電容性GOA-GFB陽極作為內(nèi)置生物電容器通過兩種不同的運(yùn)行方式(間歇運(yùn)行模式和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模式)用于回收實(shí)際米粉廢水中的能量。兩種運(yùn)行模式比較發(fā)現(xiàn),MFC能量回收值(kW h/kg COD)與間歇態(tài)充放電時間、循環(huán)次數(shù)以及COD降解率等因素有關(guān),在本實(shí)驗(yàn)體系下,間歇運(yùn)行模式中0.5 h充電+0.5 h放電的充放電模式得到的能量值最高,為1.25 kW h/kg COD(NER_(IM)),高于對應(yīng)穩(wěn)態(tài)時期的0.42 kW h/kg COD(NER_(IM))。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM911.45

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本文編號：1261394