發(fā)布時間：2017-07-31 03:03

  本文關鍵詞：MFC串并聯(lián)提高產(chǎn)電效率及加速處理重金屬廢水相關性能研究

  更多相關文章： 微生物燃料電池 串并聯(lián) 產(chǎn)電效率 重金屬廢水處理 處理速率

【摘要】：當前我國的環(huán)境污染問題十分突出,同時伴隨著環(huán)境污染而生的能源短缺也同樣不容小覷。如果能從污染物中回收資源,或在解決污染的同時產(chǎn)生能源,這將能同時緩解我國的環(huán)境污染和能源短缺兩大問題。微生物燃料電池(microbial fuel cells,MFC)是一個能將污染轉化為能源的先進技術,如果將污染物作為陰極電子受體(如重金屬),便可實現(xiàn)兩種污染物質(zhì)同時去除并產(chǎn)生電能,因此可以利用MFC技術處理重金屬廢水。本文針對改進MFC啟動時間長,或因產(chǎn)電不夠穩(wěn)定、處理重金屬速率低下等問題,采用串并聯(lián)的研究手段,研究了串并聯(lián)的運行模式下MFC的產(chǎn)電性能以及對重金屬的去除效率。實驗結果如下：(1)通過間歇并聯(lián)的連接模式成功加速MFC的啟動速率。從開始啟動時對照組要經(jīng)過10天后才會產(chǎn)生較低的電壓(100 mV以下),但間歇并連運行的MFC,在并聯(lián)階段的最大電壓可達到467 mV,在解除并聯(lián)后的第三天電壓開始呈現(xiàn)出上升趨勢,基本間歇并連15天后實驗組的MFC電壓趨于穩(wěn)定,在15天時,不再實施間歇并連,電壓仍然能夠達到持續(xù)穩(wěn)定在170±3 mV,在本研究中所使用的雙室MFC(陰極電子受體不同)使用間歇并聯(lián)的模式可以將啟動時間縮短5-7天左右。(2)通過對同種濃度和pH下的三種化學陰極進行比較篩選(KMnO4、 K3[Fe(CN)6]、K2Cr2O7),KMnO4以其較低的生物毒性和較高的產(chǎn)電效率,成為串聯(lián)階段電源補給MFC的陰極電子受體。并進一步對KMnO4陰極運行條件進行優(yōu)化,pH為3時KMnO4-MFC電壓隨著KMnO4濃度的增大(濃度依次為0.5,1.0,2.0 g/L)而增加。(3)通過KMnO4-MFC與Cu-MFC串聯(lián),前者產(chǎn)生的較高電壓為后者提供電壓和功率補給,加速處理含銅廢水過程并獲得額外電能。二者串聯(lián)能夠明顯加快Cu-MFC對Cu2+的回收速率,串聯(lián)時Cu2+的回收率可達98%,24 h回收率可達91.7%,與單獨Cu-MFC相比速率提高一倍。二者串聯(lián)后,在加速銅回收過程的同時還能獲得額外的電能,其最高輸出功率可達143 mW；(4)通過使用間歇式無功率輸出并聯(lián)模式,加速重金屬污水在MFC陰極的去除。陽極在序批式培養(yǎng)模式下,可彌補因電壓動力不足造成的重金屬去除效率低下的問題,通過間歇并聯(lián)后的MFC重金屬20 h內(nèi)去除率提高了1.75倍。經(jīng)過間歇并聯(lián)后的MFC,恢復串聯(lián)10 h后的重金屬平均去除率便可達到67%,串聯(lián)時間達到20 h時,Cu2+、Zn2+、Cd2+三種重金屬離子的去除效率分別達到91.5%,86.7%,和83.57%,未經(jīng)并聯(lián)模式的對照組MFC運行20 h處理效率僅達到52.1%。運行70 h后,重金屬平均去除率可達98%及以上。EIS掃描結果顯示,與單獨的MFC相比,在并聯(lián)條件下的陽極具有更低的液界電阻,且隨著并聯(lián)時間的增加,陽極的生物電容也隨之增加。
【關鍵詞】：微生物燃料電池 串并聯(lián) 產(chǎn)電效率 重金屬廢水處理 處理速率
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X703;TM911.45
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 緒論15-31
• 1.1 研究背景及意義15-17
• 1.1.1 研究背景15-16
• 1.1.2 研究意義16-17
• 1.2 MFC原理17-24
• 1.2.1 MFC結構與材料18-20
• 1.2.2 MFC熱力學可行性分析20-21
• 1.2.3 MFC標準電極電位21
• 1.2.4 MFC的影響因素及原因21-23
• 1.2.5 MFC測量評價方法23
• 1.2.6 MFC電子傳遞方式23-24
• 1.3 MFC發(fā)展過程及研究現(xiàn)狀24-26
• 1.4 MFC技術處理重金屬廢水已有研究及不足26-27
• 1.5 本課題來源及研究內(nèi)容27-31
• 1.5.1 課題來源27
• 1.5.2 主要研究內(nèi)容27-28
• 1.5.3 技術路線28-31
• 第二章 實驗材料、評價方法與實驗設計31-39
• 2.1 實驗所需材料與反應器的組裝及測試31-33
• 2.1.1 實驗所需材料和儀器31
• 2.1.2 實驗裝置的組裝31-32
• 2.1.3 實驗裝置的測試32-33
• 2.2 MFC性能評價及計算方法33-37
• 2.2.1 庫倫效率33-34
• 2.2.2 功率密度34
• 2.2.3 極化曲線34-35
• 2.2.4 功率曲線35
• 2.2.5 電化學交流阻抗(EIS)35-36
• 2.2.6 重金屬去除率36
• 2.2.7 電極表面電鏡掃描(SEM)36-37
• 2.3 MFC的接種與啟動37-38
• 2.4 MFC的連接方法及反應周期設計38-39
• 第三章 MFC陰極電子受體篩選39-43
• 3.1 反應器的接種與啟動39
• 3.2 電子受體原理簡介39-40
• 3.2.1 KMnO_4電子受體39-40
• 3.2.2 K_3[Fe(CN)_6]電子受體40
• 3.2.3 K_2Cr_2O_7電子受體40
• 3.3 對比實驗40-41
• 3.4 本章小結41-43
• 第四章 MFC串聯(lián)加速銅離子回收43-49
• 4.1 串聯(lián)補給式MFC加速處理含銅廢水的設計與運行43-44
• 4.2 高錳酸鉀濃度對峰功率密度和峰電壓的影響44-45
• 4.3 電極的EIS分析45
• 4.4 雙MFC串聯(lián)對銅的回收率45-47
• 4.5 雙MFC串聯(lián)對Cu-MFC的加速作用47-48
• 4.6 本章小結48-49
• 第五章 間歇式并聯(lián)對MFC啟動過程的加速作用49-53
• 5.1 對銅陰極的MFC啟動的加速作用49-50
• 5.2 對鋅陰極的MFC啟動的加速作用50-51
• 5.3 對鎘為陰極的MFC啟動的加速作用51
• 5.4 本章小結51-53
• 第六章 雙MFC間歇并聯(lián)提高回收速率的研究53-67
• 6.1 無功率輸出式間歇并聯(lián)MFC的設計與運行53-54
• 6.2 連續(xù)流條件下間歇并聯(lián)對MFC產(chǎn)電性能影響54-56
• 6.3 序批式條件下間歇并聯(lián)對MFC產(chǎn)電性能影響56-57
• 6.4 不同陰極電子受體MFC電化學阻抗(EIS)分析57-60
• 6.5 MFC陰極去除Zn~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)的效率60-61
• 6.6 陰極電極電競掃描(SEM)61-64
• 6.7 本章小結64-67
• 第七章 結論與展望67-69
• 7.1 結論67
• 7.2 展望67-69
• 參考文獻69-73
• 致謝73-75
• 研究成果及發(fā)表的學術論文75-77
• 作者和導師簡介77-78
• 附件78-79

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1 梅光泉;重金屬廢水的危害及治理[J];微量元素與健康研究;2004年04期

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4 黃瓊玉;傅賢書;;轉化法處理重金屬廢水的研究[J];環(huán)境工程;1983年02期

5 鼎;;腐植酸及其制劑處理重金屬廢水鑒定會在青島舉行[J];江西腐植酸;1983年02期

6 許景文;;重金屬廢水的處理技術[J];凈水技術;1987年01期

7 王紹文;重金屬廢水的危害及防治[J];金屬世界;1997年05期

8 陶紅,徐國勛,馬鴻文;13X分子篩處理重金屬廢水的試驗研究[J];中國給水排水;2000年05期

9 曹姝文,袁啟順,梅作漢,何瑞華,俞盛,李松漢;重金屬廢水治理試驗[J];水處理技術;2002年01期

10 張建梅,韓志萍,王亞軍;重金屬廢水的治理和回收綜述[J];湖州師范學院學報;2002年03期

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1 張平;齊劍英;張澤彪;陳永亨;;黃鐵礦處理重金屬廢水及其表面反應研究[A];中國化學會第二十五屆學術年會論文摘要集（上冊）[C];2006年

2 ;電鍍重金屬廢水治理技術現(xiàn)狀與展望[A];2009重金屬污染監(jiān)測、風險評價及修復技術高級研討會論文集[C];2009年

3 牛俊;;電鍍重金屬廢水治理技術[A];中國水污染治理技術裝備論文集（第十六期）[C];2011年

4 宋顯洪;周志鶴;;微孔精密過濾機處理重金屬廢水[A];中國有色金屬學會第五屆學術年會論文集[C];2003年

5 張平;陳永亨;齊劍英;;黃鐵礦處理重金屬廢水[A];第三屆全國環(huán)境化學學術大會論文集[C];2005年

6 張鐳;曾永剛;張毅;;鉛鋅選礦重金屬廢水處理技術研究[A];四川省環(huán)境科學學會2012年學術年會論文集[C];2012年

7 劉羽;胥煥巖;;磷灰石用于處理重金屬廢水的研究進展[A];中國礦物巖石地球化學學會第十屆學術年會論文集[C];2005年

8 爾麗珠;;離子交換樹脂法移動處理重金屬廢水[A];天津市電鍍工程學會第十屆學術年會論文集[C];2006年

9 馮彬;張利民;;電鍍重金屬廢水治理技術現(xiàn)狀與展望[A];全國鍍膜與表面精飾低碳技術論壇論文集[C];2011年

10 楊燕;陳天虎;陳冬;李平;史亞丹;朱曉;;保護氣氛下煅燒膠狀黃鐵礦去除水中銅離子的影響因素[A];2012年全國礦物科學與工程學術研討會論文集[C];2012年

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1 記者張鶯;賀州重金屬廢水入江:監(jiān)管難還是監(jiān)管缺?[N];新華每日電訊;2013年

2 遲平;采礦廢水重金屬處理難題攻克[N];中國化工報;2013年

3 鐘楠;重金屬廢水生物制劑處理實現(xiàn)零排放[N];中國環(huán)境報;2006年

4 記者 仇方迎;生物技術治理重金屬廢水污染獲得成功[N];科技日報;2008年

5 仇方迎;生物技術治理重金屬廢水污染取得成功[N];中國有色金屬報;2008年

6 本報通訊員 王雙瑾　王蒙;西安徹查涉重金屬企業(yè)[N];中國環(huán)境報;2012年

7 記者 張曉紅;“洗”出重金屬廢地變良田[N];珠海特區(qū)報;2012年

8 記者 李鵬;重金屬致癌仍存疑[N];北京科技報;2013年

9 羅艾東;電化學新技術高效處理重金屬廢水[N];中國化工報;2011年

10 見習記者 陳業(yè)奇;將核查重金屬排放現(xiàn)狀[N];東莞日報;2012年

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7 陳新才;重金屬在土壤—微生物界面相互作用的分子機制[D];浙江大學;2006年

8 楊雷;水泥工業(yè)處理含重金屬的危險廢物的技術研究[D];武漢理工大學;2007年

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7 向捷;夾竹桃根系耐鉛鋅細菌的篩選、鑒定及其吸附能力研究[D];中南林業(yè)科技大學;2015年

8 聶文歡;氨基膦酸螯合樹脂深度處理重金屬廢水的研究[D];河北工程大學;2015年

9 趙欣;SMFC-SMEC耦合系統(tǒng)去除廢水中銅與鎳離子的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

10 谷超;紅楓湖疏浚底泥中重金屬的植物修復研究[D];貴州師范大學;2015年

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