發(fā)布時(shí)間：2020-05-07 11:19

【摘要】：微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)具有運(yùn)行成本低及同步污水能源化等優(yōu)勢(shì)被認(rèn)為是潛在的新型水處理技術(shù)。MFC反應(yīng)器的大型化研究是該技術(shù)應(yīng)用推廣過程中的重要課題。然而目前仍缺乏具備放大潛力的MFC構(gòu)型設(shè)計(jì),同時(shí)也對(duì)放大過程中的關(guān)鍵問題缺乏認(rèn)識(shí)。本研究通過對(duì)開發(fā)和構(gòu)建適于放大的空氣陰極MFC新構(gòu)型,分析并解決MFC放大構(gòu)型構(gòu)建過程的若干關(guān)鍵問題,探究放大系統(tǒng)在實(shí)際污水處理過程中的運(yùn)行規(guī)律和技術(shù)特點(diǎn),對(duì)于推動(dòng)該技術(shù)的應(yīng)用具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究構(gòu)建了容積250 L的可堆棧平推流微生物燃料電池,將空氣陰極MFC單體容積提高到數(shù)百升。平推流MFC模塊在生活污水處理的同時(shí)獲得了0.44±0.01 A的電流輸出和116 m W的能量輸出。污水經(jīng)MFC處理,出水COD為70±17 mg L~(-1),去除率為79±7%;總氮出水濃度13±3 mg L~(-1),去除率為71±8%。通過對(duì)大小MFC系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),MFC放大過程中的電池面電阻增加,是系統(tǒng)功率密度隨尺度增加而衰減的主要原因,MFC的放大應(yīng)當(dāng)采用模塊化堆棧的方式進(jìn)行。系統(tǒng)功率密度依賴于陰極面積,通過多模塊密集堆棧實(shí)現(xiàn)較高的陰極填充面積也應(yīng)是放大MFC系統(tǒng)的必要特征。大型MFC系統(tǒng)要求空氣陰極能夠承壓運(yùn)行。本研究構(gòu)建量程0-30 k Pa的水壓測(cè)試系統(tǒng),以檢測(cè)碳布、碳纖維布和不銹鋼輥壓等不同基體材料的陰極在水壓下的電化學(xué)響應(yīng)。碳布陰極和碳纖維布陰極承受水壓(相對(duì)大氣壓)上限分別為10和13 k Pa;不銹鋼陰極量程范圍內(nèi)性能保持穩(wěn)定。水壓對(duì)陰極電化學(xué)性能的影響不可逆。陰極的承壓耐受能力取決于陰極擴(kuò)散層在發(fā)生破裂和水淹現(xiàn)象前所能容許的最大陰極形變,以及此時(shí)陰極材料做能提供的最大拉伸應(yīng)力。相同水壓下電極的機(jī)械性能和其在水壓下的形變量有直接關(guān)系。不銹鋼輥壓陰極的彈性模量達(dá)到4.0±0.4×103 MPa,是碳布陰極的62.5倍,碳纖維布陰極的10倍,是其良好承壓能力的基礎(chǔ)。使用承壓空氣流為密閉陰極腔室主動(dòng)復(fù)氧,能夠?qū)崿F(xiàn)大型空氣陰極MFC系統(tǒng)的密集堆棧。對(duì)于不銹鋼網(wǎng)活性炭空氣陰極,空氣側(cè)壓力提高至10 k Pa(相對(duì)空氣陰極液體側(cè)壓力)增加17%電流密度,但氣壓過高(≥25 kPa)導(dǎo)致空氣向電解液的滲漏和陰極電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻提高。維持氣液壓力平衡能夠穩(wěn)定并提高功率密度輸出。陰極腔室氧氣分壓和空氣陰極的電流密度符合Monod方程形式。密閉陰極腔室內(nèi)氧氣分壓≥12.5 k Pa可保證陰極92±1%的電流密度。以承壓空氣流維持陰極反應(yīng)和平衡水壓的能量消耗僅占MFC最大能量輸出的8%。在前期基礎(chǔ)上本研究設(shè)計(jì)了電極分置的插入式構(gòu)型。該構(gòu)型由分置的交替排列的碳刷陽(yáng)極模塊和雙側(cè)陰極模塊組成,不需對(duì)每個(gè)模塊加工外殼,易于堆棧放大。構(gòu)建體積為2 L的單模塊系統(tǒng),包括一個(gè)居中的雙側(cè)陰極模塊和位于兩側(cè)的碳纖維刷陽(yáng)極陣列。陰極模塊加入支撐結(jié)構(gòu)以平衡水壓防止陰極承壓形變,并保證空氣傳質(zhì)。陰影效應(yīng)小和孔隙率高的支撐結(jié)構(gòu)獲得了較低的陰極擴(kuò)散內(nèi)阻以及較高的能量輸出。使用乙酸鈉摻混的生活污水,使用金屬框架支撐體的MFC模塊獲得最大的功率密度輸出為1100±10 mW m~(-2),體積功率密度為32±0.3 W m 3,性能與常用28 m L立方體MFC相似。處理生活污水時(shí),金屬框架MFC模塊的功率密度輸出為400±8 m W m~(-2)。單體插入式構(gòu)型模塊以生活污水為底物連續(xù)流運(yùn)行時(shí),過長(zhǎng)HRT導(dǎo)致較低末段COD,從而對(duì)流程下游的陽(yáng)極性能產(chǎn)生反饋抑制。生活污水COD和SCOD對(duì)陽(yáng)極電化學(xué)性能的抑制濃度分別為200 mg L~(-1)和120 mg L~(-1)。低于此濃度,陽(yáng)極活化內(nèi)阻顯著增大,電位向正向偏移,電流密度降低,功率密度曲線回返。電極間基于胞外電子傳遞過程形成的電子流對(duì)有機(jī)污染物(COD)的降解有明顯的促進(jìn)作用。電流密度為1.61±0.13 A m~(-2)時(shí),COD降解過程反應(yīng)速率常數(shù)是0.16±0.01 h 1,達(dá)開路狀態(tài)的2.1倍。電流密度提高刺激產(chǎn)電菌對(duì)COD降解并使其在MFC整體COD降解中所占比例提升;非產(chǎn)電菌的COD降解過程主要受陽(yáng)極電位正向偏移的影響,與產(chǎn)電菌群間存在底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。多模塊堆棧是構(gòu)建大型MFC反應(yīng)器的必要形式。本研究構(gòu)建了多模塊MFC系統(tǒng)(6.1 L)以初沉池污水為底物在污水廠實(shí)地運(yùn)行,并考察了污水流動(dòng)方向反轉(zhuǎn)和流動(dòng)方向固定、多模塊間并聯(lián)布水和串聯(lián)布水兩類四種多模塊間的聯(lián)接模式。不同聯(lián)接模式對(duì)多模塊MFC系統(tǒng)的影響機(jī)制在于各模式對(duì)底物在各模塊之間分配的調(diào)控。為獲得整體功率密度的提高,以及各模塊間均勻的能量輸出性能,多模塊MFC堆棧的運(yùn)行應(yīng)該選取較高濃度進(jìn)水,并采取流向周期反轉(zhuǎn)的并聯(lián)布水聯(lián)通各個(gè)模塊。進(jìn)水COD充足時(shí),匹配雙側(cè)陰極的陽(yáng)極陣列功率密度輸出為6.0±0.4 W m 3,是匹配單側(cè)陰極的陽(yáng)極陣列的1.9倍。雙側(cè)陰極使對(duì)應(yīng)陽(yáng)極獲得更小內(nèi)阻和更大的電流輸出性能。在底物匱乏的條件下,匹配雙側(cè)陰極對(duì)陽(yáng)極的正向影響被減弱甚至消失。模塊間聯(lián)接模式以及進(jìn)水COD的波動(dòng)對(duì)MFC系統(tǒng)的總體COD去除影響不大。
【圖文】：

) 不銹鋼網(wǎng)陰極初始狀態(tài) 承壓 300 cm 后不銹鋼網(wǎng)陰極) Fresh cathode of AC-MM After pressure of 300 cm圖 4-4 電極表面 0.1mm 尺度上承水壓前后的形態(tài)變化Fig. 4-4 The Scanning Electron Microscopy (SEM) images (100μm scalμm 尺度上(圖 4-5)，，Pt-CC 和 Pt-CM 均發(fā)現(xiàn) PTFE 的纖絲被拉

) 不銹鋼網(wǎng)陰極初始狀態(tài) 承壓 300 cm 后不銹鋼網(wǎng)陰極) Fresh cathode of AC-MM After pressure of 300 cm圖 4-5 電極表面 5μm 尺度上承壓前后的形態(tài)變化Fig. 4-5 the Scanning Electron Microscopy (SEM) images (5μm scale相壓力壓力對(duì)陰極的作用方式
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM911.45

【參考文獻(xiàn)】

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1 曹效鑫;梁鵬;范明志;黃霞;;用于產(chǎn)電純菌研究的MFC反應(yīng)器的開發(fā)[J];中國(guó)給水排水;2012年07期

2 陳立香;肖勇;趙峰;;微生物燃料電池生物陰極[J];化學(xué)進(jìn)展;2012年01期

3 黃霞;范明志;梁鵬;曹效鑫;;微生物燃料電池陽(yáng)極特性對(duì)產(chǎn)電性能的影響[J];中國(guó)給水排水;2007年03期

4 佘鵬;宋波;邢新會(huì);劉錚;;細(xì)菌Enterobacter dissolvens的直流電解刺激過程[J];過程工程學(xué)報(bào);2006年01期

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1 楊俏;緊湊堆棧生物電化學(xué)系統(tǒng)電極材料與系統(tǒng)構(gòu)建研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2652890