【摘要】：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFCs)能夠在處理污水的同時,將有機物中蘊藏的化學能轉化為電能,是一種新型的低能耗的水處理技術,成為近年來環(huán)境領域和能源回收領域的研究熱點。目前電極材料成本過高和產電性能偏低是制約MFC實際應用的主要因素。陽極是影響細菌生長、電子傳遞以及底物供應的關鍵因素,因此,亟需開發(fā)一種高性能、低成本的陽極材料�？諝怅帢O是MFC主要采用的陰極形式,但氧氣還原(ORR)催化劑的性能和價格成為空氣陰極應用的限制因素之一。本文以剩余污泥為碳材料前驅體材料,采用簡單易行的方法制備了低成本、高性能的污泥基電極和污泥基復合空氣陰極,在降低電極成本的同時使MFC的功率輸出達到較高水平,為推動MFC在廢水處理領域的應用奠定基礎。(1)以剩余污泥作為電極材料唯一前驅體材料,采用在氮氣保護下直接碳化的方法制備了污泥基電極,考察了碳化溫度對電極產電性能的影響。實驗結果表明,碳化溫度增加有利于提升電極的產電性能,當碳化溫度在1200℃時,污泥基電極的石墨化程度最高,電極表面積最大,電極中碳含量比例和電極導電率最高。以1200℃碳化的污泥基陽極電極(SSC1200)運行的MFC最大輸出功率為2920mWm-2,分別是SSC600電極、SSC800電極和SSC1000電極的輸出功率密度的2.5倍、1.3倍和1.2倍,是商業(yè)化石墨電極的輸出功率密度的5倍。因此,最優(yōu)的污泥基電極碳化溫度為1200℃。(2)基于上述最優(yōu)污泥基碳化條件下,將工業(yè)廢棄物飛灰為粘合劑按照20%,40%,60%和80%的比例摻入污泥基電極中強化電極性能,研究了其在MFC的性能,并對制備的電極做了系列材料學表征。掃描電鏡結果顯示,與未摻入飛灰的污泥電極相比,摻有飛灰的污泥電極表面有洋蔥碳生成,有利于電子傳遞,從而提升電極產電性能。污泥電極中摻入飛灰能顯著提高電極的親水性,有利于產電微生物的附著生長。此外,污泥電極中摻入飛灰后機械強度提高了約19倍。電極產電性能測試結果顯示,以飛灰摻入比為20%的污泥碳基電極構建的MFC,獲得的最大的輸出功率密度達3210mWm-2,相比于純污泥碳基電極提高了 21%。在污泥電極中摻入飛灰,有助于提高污泥電極的產電性能,作為MFC陽極電極具有巨大的應用潛力。(3)以剩余污泥為碳前驅體,通過水熱共摻雜Mn、N法成功制備了一種新型的污泥碳基空氣陰極,構建MFC,研究其產電性能。EDS和XPS表征結果顯示,Mn和N原子成功的均勻摻雜入碳骨架中。線性伏安掃描結果表明Mn、N共摻雜的協(xié)同效應更進一步提高了空氣陰極的ORR催化性能。Mn-N/SC空氣陰極具有優(yōu)異的ORR催化性能,輸出功率密度達1120mWm2,與同體系下的Pt/C催化劑構建的空氣陰極的產電性能(1240 mW m-2)相當,有望成為擴大化應用的空氣陰極。
【圖文】：

１．２微生物燃料電池逡逑１．２．１基本原理及分類逡逑ＭＦＣ主要由陽極、陰極和分隔材料三部分構成［２４］，如圖１．１所示。產電微逡逑生物附著在陽極電極表面，陰極電極表面負載催化劑粉末或者附著微生物。在外逡逑部，陰極電極和陽極電極通過外接導線連接至外部負載。在ＭＦＣ內部，通過分逡逑隔材料將ＭＦＣ裝置分為陽極室和陰極室。在陽極室中，負載在陽極電極上的產逡逑電微生物氧化有機物，釋放出電子和質子。電子通過外接電路傳導至陰極，質子逡逑．在電場作用下穿過分隔材料進入陰極室。在陰極室中，通過催化劑的催化作用下，逡逑電子受體接受傳導至陰極的電子，與溶液中的質子相結合。分隔材料一般為質子逡逑膜和離子膜，可以將陽極室中的有機物和陰極室中的電子受體分隔，提高ＭＦＣ逡逑電子轉換效率。逡逑２

⑴碳基電極逡逑目前研宄報道最多的陽極材料主要為碳材料，包括碳紙、玻璃碳、石墨氈、逡逑石墨板、碳布、碳刷等［３５，３８，３９，４（）］，，如圖１－２。從商業(yè)化的角度而言，由于成本低、逡逑導電性高、有效面積大，微生物易于附著等優(yōu)勢，碳布和碳刷被認為是最具有應逡逑５逡逑
【學位授予單位】：浙江工商大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM911.45;X703

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 劉爽;白錫慶;張鵬宇;李趙相;趙磊;滕藤;孫井梅;;無黏土高含量污水廠污泥燒制建筑材料重金屬浸出及固化效果的研究[J];磚瓦;2016年06期

2 李靜;周斌;易新建;邵煜錕;魏來;;垃圾焚燒飛灰重金屬穩(wěn)定化藥劑處理效果[J];環(huán)境工程學報;2016年06期

3 劉德敏;張維慧;;污水廠剩余污泥資源化技術研究現(xiàn)狀[J];山東化工;2016年01期

4 郗文君;張安龍;;污泥資源化技術研究進展[J];黑龍江造紙;2015年04期

5 韋鳳年;;賽萊默發(fā)布2014年中國水價值指數調查報告[J];中國水利;2015年02期

6 高彬;袁林江;李宗偉;;陽極電勢對MFC中產電的影響[J];環(huán)境工程學報;2014年11期

7 郭曉潞;施惠生;吳凱;;城市垃圾焚燒飛灰制復合阿利尼特水泥的試驗研究[J];新型建筑材料;2013年09期

8 王英俊;周振;李進民;王羅春;黃超;李峰;;污水處理廠污泥過程減量技術的研究進展[J];環(huán)境科學與管理;2011年10期

9 周利;郭雪松;肖本益;劉俊新;;城市污水處理廠剩余污泥熱值估算方法研究[J];給水排水;2011年09期

10 林豐;;污水污泥焚燒處理技術及其應用[J];環(huán)境科技;2011年S1期

相關博士學位論文 前1條

1 張培遠;微生物燃料電池能量特性研究[D];北京工業(yè)大學;2011年

相關碩士學位論文 前2條

1 蔡可兵;垃圾焚燒飛灰與廢棄玻璃綜合利用制備玻璃陶粒研究[D];湖南農業(yè)大學;2012年

2 林祥;城市生活垃圾焚燒飛灰藥劑穩(wěn)定化研究[D];重慶大學;2006年

本文編號：2678976