本文關(guān)鍵詞： 微生物燃料電池 電極修飾 石墨烯 產(chǎn)電 污染物去除　出處：《江南大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)技術(shù)可將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?處理過程中無(wú)需能源或動(dòng)力輸入,因此MFC技術(shù)在環(huán)境及能源領(lǐng)域吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。但是,輸出功率密度較低、成本較高、底物降解率低等特點(diǎn)限制了其實(shí)際應(yīng)用,其中電極是主要限制因素之一。論文選取具有大比表面積和優(yōu)良導(dǎo)電性的石墨烯作為電極修飾材料,分別制備了平面陽(yáng)極、立體陽(yáng)極、平面陰極、陰極微濾膜等,提高了MFC的產(chǎn)電性能和污染物去除率。論文首先制備了石墨烯修飾碳布的平面陽(yáng)極。為彌補(bǔ)石墨烯生物相容性不足的缺點(diǎn),選取生物相容性較好的聚苯胺(Polyaniline,PANI)和石墨烯一起組成復(fù)合物修飾碳布。利用原位聚合方法制備石墨烯摻雜PANI復(fù)合物,PANI無(wú)規(guī)則附著在石墨烯納米片表面。將復(fù)合材料修飾在碳布表面作為MFC陽(yáng)極時(shí)以石墨烯含量占比為5%的復(fù)合電極(5%石墨烯)生物電化學(xué)性能最佳。產(chǎn)電菌充分利用了石墨烯和PANI的優(yōu)點(diǎn),生物量密度和最大功率密度(Maximum power dentsity,Pmax)均高于其它對(duì)照電極,Pmax為831±45 mW/m2,分別是20%石墨烯、1%石墨烯、石墨烯、PANI、裸碳布陽(yáng)極的1.2、1.3、1.3、1.5、1.8倍。電化學(xué)阻抗(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)分析表明5%石墨烯陽(yáng)極極化內(nèi)阻僅為24±2Ω,是碳布電極的19.8%。石墨烯良好的導(dǎo)電性提高了電子傳遞效率,PANI修飾后電極表面生物量密度增大,單位面積電子傳遞效率提高,因此極化內(nèi)阻較低。利用碳布、石墨烯、PANI之間存在的各類次級(jí)鍵作用力(π-π堆積力、氫鍵、靜電引力),直接在碳布表面原位修飾石墨烯和PANI。和第一章相比,簡(jiǎn)化了石墨烯/PANI修飾步驟并省略了粘結(jié)劑的使用。穩(wěn)定運(yùn)行后石墨烯/PANI陽(yáng)極最大輸出電壓為573±37 mV,Pmax為884±96 mW/m2,分別是碳布陽(yáng)極的1.3和1.9倍。CV分析發(fā)現(xiàn)PANI修飾電極出現(xiàn)細(xì)胞色素c(Cytochrome c,Cyt c)類物質(zhì)的氧化還原峰,說明PANI具有導(dǎo)電性;衰減全反射傅立葉紅外光譜(Attenuated total reflection-fourier transform infrared spectroscopy,ATR-FTIR)結(jié)果顯示PANI長(zhǎng)期保持在中性陽(yáng)極液中并未完全去質(zhì)子化,去質(zhì)子化水平弱于未接種電極,表明生物膜弱酸性微環(huán)境可能有助于PANI導(dǎo)電性的維持。在適宜的石墨烯濃度和反應(yīng)溫度下利用層層自組裝方法制備三維多孔石墨烯電極(3D-G),該電極具有非變形性、褶皺狀表面、大孔結(jié)構(gòu)、大比表面積(188 m2/g)、良好的導(dǎo)電性和較低的制作成本,有利于微生物的富集生長(zhǎng)和胞外電子傳遞,可獨(dú)立作為電極使用。將其應(yīng)用于單室空氣陰極MFC反應(yīng)器中,2周后Pmax為1516±87 mW/m2,高于對(duì)照石墨氈877±57 mW/m2和碳布584±39 mW/m2。經(jīng)2個(gè)月的運(yùn)行后,3D-G反應(yīng)器Pmax僅下降15%,顯示3D-G陽(yáng)極長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性。從電極成本衡量功率密度,3D-G陽(yáng)極分別是碳布和石墨氈電極的133和93倍。CV、塔菲爾(Tafel)和EIS等動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果顯示3D-G陽(yáng)極提高了胞外電子傳遞效率。為提高陰極性能并降低成本,制備石墨烯/活性炭復(fù)合電極作為MFC陰極。CV分析結(jié)果顯示以石墨烯含量占比為10%的陰極(10%石墨烯)掃描電流最大,LSV分析結(jié)果顯示10%石墨烯催化電流僅次于鉑碳電極。Tafel測(cè)試顯示交換電流密度為0.22±0.03mA/cm2,高于鉑碳電極的0.20±0.02 mA/cm2;催化氧氣還原反應(yīng)時(shí)電子轉(zhuǎn)移數(shù)目為3.2±0.3,高于鉑碳電極的2.8±0.3。啟動(dòng)成功后,10%石墨烯Pmax為1406±88 mW/m2,略低于鉑碳陰極的1457±92 m W/m2。鉑碳雖然催化性能較好,但由于放電時(shí)間較短,COD去除率和CE均低于10%石墨烯。EIS分析顯示10%石墨烯極化內(nèi)阻為17±2Ω,小于鉑碳電極的20±2Ω,說明10%石墨烯作為陰極其催化性能和鉑碳差別不大。將經(jīng)優(yōu)化的石墨烯加入鑄膜液,刮至于不銹鋼網(wǎng)上,利用相轉(zhuǎn)化法制備得到具有導(dǎo)電性的陰極微濾膜(G-FM),G-FM純水通量為712±62 L/(m2·h·bar),平均孔徑為0.09±0.01μm。將G-FM安置于單室空氣陰極MFC中,在此MFC-膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)耦合系統(tǒng)中,G-FM膜即作為微濾膜起到過濾作用,又作為MFC陰極催化氧氣還原反應(yīng)。利用其處理模擬生活污水,COD去除率為96.6±3.9%,氨氮去除率為95.8±5.7%,總氮去除率達(dá)到94.7±5.2%,并同時(shí)輸出349±19 mW/m2的電能。此外,石墨烯修飾提高了微濾膜的親水性、帶負(fù)電荷的陰極和細(xì)菌之間存在靜電斥力、陰極附近產(chǎn)生過氧化氫等三方面原因減輕了微濾膜污染。以上研究表明,將具有良好性能的石墨烯應(yīng)用于MFC電極修飾中,降低了MFC反應(yīng)器成本、提高了MFC的產(chǎn)電性能和污染物去除效率,有助于推動(dòng)MFC技術(shù)在實(shí)際污水處理領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[Abstract]:Electrochemical impedance spectroscopy ( EIS ) was used to prepare graphene - doped polyaniline composite . The results showed that the electrochemical performance of graphene was higher than that of other control electrodes , and the surface biomass density and the maximum power density were higher than those of other control electrodes . The results of CV analysis showed that there was no complete deprotonation and deprotonation at the cathode ( 3D - G ) , which was higher than that of control graphite felt 877 鹵 57 mW / m2 and carbon cloth 584 鹵 39 mW / m2 . The G - FM pure water flux is 712 鹵 62 L / ( m2 路 h 路 bar ) , the average pore size is 0.09 鹵 0.01 渭m . In this MFC - membrane bioreactor ( MBR ) coupling system , the G - FM membrane is used as a micro - filter membrane to filter and output 349 鹵 19 mW / m2 .

【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM911.45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1499290