【摘要】：隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,能源以及環(huán)境問(wèn)題逐漸成為人類在二十一世紀(jì)面臨的兩大挑戰(zhàn),嚴(yán)重制約著人類的生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái),傳統(tǒng)化石能源的大量使用不僅使得化石能源日益枯竭,還嚴(yán)重污染了環(huán)境。同時(shí),環(huán)境問(wèn)題特別是水污染問(wèn)題也變得日益嚴(yán)重,而目前在污水處理行業(yè),以傳統(tǒng)的方式處理廢水一直處于“高投入,零產(chǎn)出”狀態(tài)。因此,為保證社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展,尋找新型清潔能源和新的污水處理工藝已成為當(dāng)務(wù)之急。在此背景下,微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并逐漸發(fā)展起來(lái)。MFC技術(shù)采用微生物作為陽(yáng)極催化劑,將廢水中有機(jī)物的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,在處理污水的同時(shí)又產(chǎn)生了電能,是一種清潔無(wú)污染的可再生能源裝置。MFC由于其在處理污水的同時(shí)能夠產(chǎn)生電能的這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。然而,目前MFC輸出功率較低,產(chǎn)電性能不高的問(wèn)題成為了其商業(yè)化應(yīng)用的一大瓶頸。在影響MFC產(chǎn)電性能的眾多因素中,陽(yáng)極性能起到了極為重要的作用。本文從工程熱物理的角度出發(fā),針對(duì)MFC陽(yáng)極中底物及產(chǎn)物的傳質(zhì)問(wèn)題,對(duì)陽(yáng)極生物膜內(nèi)部、陽(yáng)極微小孔隙內(nèi)部的H~+傳輸特性以及電池陰陽(yáng)兩極由于H~+跨膜傳輸造成的水傳輸現(xiàn)象進(jìn)行研究。分別研究了以碳紙為陽(yáng)極材料的微生物電化學(xué)系統(tǒng)陽(yáng)極生物膜內(nèi)部氫離子的傳質(zhì)特性、以石墨棒為電極單元構(gòu)建的三維陽(yáng)極石墨棒陣列內(nèi)部的氫離子傳質(zhì)特性、以碳刷為電極材料構(gòu)建的雙室微生物燃料電池陰陽(yáng)兩極間的水傳輸特性。本文主要研究成果如下:1.微生物電化學(xué)系統(tǒng)(BES)陽(yáng)極生物膜內(nèi)傳質(zhì)現(xiàn)象的研究構(gòu)建了以碳紙為陽(yáng)極材料的微生物電化學(xué)系統(tǒng),啟動(dòng)完成后對(duì)陽(yáng)極生物膜內(nèi)的傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)微生物陽(yáng)極用循環(huán)伏安法進(jìn)行掃描測(cè)試、電化學(xué)阻抗測(cè)試以及生物膜形貌分析,研究了陽(yáng)極生物膜內(nèi)部的傳質(zhì)特性。研究結(jié)果表明:運(yùn)用循環(huán)伏安法對(duì)微生物陽(yáng)極進(jìn)行測(cè)試時(shí),使用不同的掃速或者同一掃速不同圈數(shù)情況下,陽(yáng)極的循環(huán)伏安曲線(CV曲線)各不相同,掃描速度越小,CV曲線中氧化電流到達(dá)峰值后下降越嚴(yán)重。無(wú)底物條件下,最大峰電流與掃速的平方根成正比;電化學(xué)阻抗測(cè)試表明微生物陽(yáng)極的傳質(zhì)內(nèi)阻遠(yuǎn)大于歐姆內(nèi)阻和傳荷內(nèi)阻。2.微小孔隙(0.5 mm)內(nèi)部活性生物膜成膜及pH分布研究本實(shí)驗(yàn)使用石墨棒(直徑0.9 mm),POM板,PTFE硬管構(gòu)建了毫米級(jí)別孔隙的三維陽(yáng)極陣列(10×10),相鄰兩根石墨棒間距(孔隙大小)為0.5 mm,研究了毫米級(jí)別孔隙的三維陽(yáng)極陣列不同區(qū)域的電流分布、內(nèi)阻分布、pH分布、生物膜氧化底物時(shí)的電子傳遞方式以及生物膜形貌。研究結(jié)果表明:三維陽(yáng)極陣列從外向內(nèi),產(chǎn)電電流不斷減少;歐姆內(nèi)阻和傳質(zhì)內(nèi)阻基本相同,傳質(zhì)內(nèi)阻逐漸增大;pH值不斷降低;活性生物量不斷減少。3.雙室微生物燃料電池陰陽(yáng)極間水傳遞特性研究本節(jié)構(gòu)建了以碳刷為陰陽(yáng)極材料的雙室微生物燃料電池,研究了由于H~+跨膜運(yùn)輸導(dǎo)致的“電滲拖拽”作用對(duì)陰陽(yáng)兩極間水傳遞現(xiàn)象的影響。研究結(jié)果表明,雙室MFC陰陽(yáng)兩極間的水傳輸現(xiàn)象與放電電流強(qiáng)度、陰陽(yáng)兩極磷酸緩沖液(PBS)濃度以及質(zhì)子交換膜厚度密切相關(guān)。放電電流越大、陽(yáng)極PBS溶液濃度相對(duì)于陰極PBS溶液濃度越低、質(zhì)子交換膜厚度越薄,陰陽(yáng)極間水傳輸量越大。
【圖文】：

圖 1.1 微生物燃料電池原理圖Fig 1.1 Schematic diagram of Microbial Fuel CellFC 的產(chǎn)電原理如圖 1.1 所示，陽(yáng)極腔室中，產(chǎn)電菌附著在陽(yáng)極電極身的無(wú)氧呼吸作用催化氧化陽(yáng)極腔室內(nèi)污水中的有機(jī)物，生成電子化碳。隨后，產(chǎn)生的電子從生物膜區(qū)域向陽(yáng)極電極表面區(qū)域進(jìn)行傳遞方式包括以下幾種：直接電子傳遞、通過(guò)電子中介體傳遞、通過(guò)助傳遞等[27]。電子到達(dá)陽(yáng)極電極表面后，在陰陽(yáng)極電勢(shì)差的作用下外電路流經(jīng)負(fù)載，然后傳遞至陰極電極，產(chǎn)生電流。產(chǎn)電菌氧化有生氫離子，在濃度差的作用下，陽(yáng)極液中的氫離子跨過(guò)質(zhì)子交換膜。在電池的陰極，通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞過(guò)來(lái)的質(zhì)子、通過(guò)外電路傳子和陰極的電子受體（如 O2）三者發(fā)生反應(yīng)生成水。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程物質(zhì)和能量平衡，在處理污水的同時(shí)也產(chǎn)生了電能。MFC 反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)方程式以及總反應(yīng)方程式分別如下:極反應(yīng)：

重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1.2 極化曲線（A）,功率曲線（B）[26]Fig.1.2 Voltage current curves (A)，power-current curves (B)[26]由圖可知，MFC 的開(kāi)路電壓要小于理論電壓值，原因有如下兩點(diǎn)：1.在理論電壓值的計(jì)算公式中使用的是主體溶液中底物的濃度，而在實(shí)際的反應(yīng)中，由于溶液中存在著濃度邊界層，，因此，參與反應(yīng)的實(shí)際底物濃度要小于主體溶液中底物的濃度，導(dǎo)致理論電壓要比實(shí)際開(kāi)路電壓偏高；2.MFC 溶液中存在著陰陽(yáng)離子的遷移，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致電池存在微弱的電流回路，因而對(duì)電池的電壓起到了抵消作用。以上原因?qū)е码姵氐膶?shí)際開(kāi)路電壓要低于理論電壓值。在 MFC 運(yùn)行過(guò)程中
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM911.45;X703

【參考文獻(xiàn)】

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1 武紅;谷樹(shù)忠;關(guān)興良;魯莎莎;;中國(guó)化石能源消費(fèi)碳排放與經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)關(guān)系研究[J];自然資源學(xué)報(bào);2013年03期

2 趙新剛;劉平闊;;生物質(zhì)能對(duì)化石能源的替代性——基于中國(guó)工業(yè)部門(mén)的實(shí)證分析[J];技術(shù)經(jīng)濟(jì);2012年04期

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本文編號(hào)：2682689