基于多功能耦合的微生物燃料電池陰極性能優(yōu)化及功能調控研究
發(fā)布時間：2021-09-06 02:45
微生物燃料電池（Microbial fuel cell,MFC）是一種利用產電微生物同步去除廢水中污染物和產生電能的廢水處理技術,具有操作條件溫和、資源利用率高、無污染等特點。然而MFC對底物具有一定的選擇性,其產電還需進一步提高,陰極造價及擴大后陰極性能的下降制約了其實際應用。目前,對陰極電化學性能的調控與功能耦合是提升陰極性能、促進廢水有機物降解及產電性能提升的關鍵。本文通過制備陰極高性能與多功能催化劑、將MFC陰極與電芬頓（Electro-Fenton,EF）耦合、并對MFC陰極影響產電超調的機理分析,研究提升MFC廢水處理及產電性能。1.制備Fe、N共摻雜碳基MFC陰極催化劑（Fe/N/C）,利用Fe、N摻雜提高氧還原的催化性能,通過催化劑織構特性調控提高電極穩(wěn)定性。以魔芋根莖生物質炭為骨架,通過羥甲基化反應形成包覆生物質炭的三聚氰胺樹脂預聚體,再與檸檬酸鐵銨進行縮聚反應形成含Fe、N、C前驅體,經爐內熱解制備Fe/N共摻雜碳基氧還原催化劑。通過改變前驅體的物料比和熱解溫度對催化劑的元素形態(tài)、織構特性等進行調控。所制備的Fe/N/C因有利的氮摻雜、鑲嵌于碳骨架的Fe3...
【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：164 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
氧氣作陰極電子受體的MFC工作原理示意圖
華中科技大學博士學位論文5圖1-2MXCs工作原理示意圖：（a）單室MFC，（b）微生物電解池（MEC），（c）微生物脫鹽池（MDC），（d）微生物電化學合成池（MESC）Figure1-2Schematicworkingprincipleof(a)singlechamberMFC,(b)microbialelectrolysiscell(MEC),(c)microbialdesalinationcell(MDC)and(d)andmicrobialelectrosynthesiscell(MESC).1.2.2產電微生物及其電子轉移機制自然界中許多微生物可將代謝活動產生的電子傳遞到電極。這些產電微生物廣泛分布于海底沉積物、土壤、河湖底泥、廢水、活性污泥等富含微生物的自然或污染環(huán)境中。目前已知的電活性細菌（electrochemnicallyactivebacteria，EAB）主要為異化金屬還原菌（Dissmilitorymetalreductingbacteria，DMRB），包括Geobacterspp.，Shewanellaspp.，Rhodoferaxferrireducens，Aeromonashydrophila，Pseudomonasaeruginosa,Clostridiumbutyricum，Enterococcusgallinarum等[17]。DMRB在自然環(huán)境或污染環(huán)境中占微生物數量較低（3%左右），而在經過馴化后的MFC環(huán)境中，這類微生物占比可達70%以上。一般認為，MFC產電過程與DMRB的金屬還原過程相似。在自然界中，DMRB
華中科技大學博士學位論文8圖1-3產電微生物向電極的電子轉移機制[16]：①以發(fā)酵產物為電子中介體的間接電子轉移；②通過蛋白質細胞色素C的直接電子轉移；③通過導電pili的直接電子轉移Figure1-3MechanismsinvolvedinelectrontransferfromEABtoelectrode[16]:①indirecttransferviamediatorsorfermentationproducts;②directtransferviacytochromeproteins;③directtransferviaconductivepili.實際上，電活性微生物與電極間的電子傳導通常是上述幾種電子傳導機制同時存在并相互協調的結果。例如，Shewanellaoneidensis可通過外膜細胞色素C和細胞納米導線進行直接電子傳遞，其細胞分泌物核黃素和黃素單核苷酸可作為電子介體促進電子傳遞，核黃素還會與細胞色素C結合介導電子向電極傳遞[17]。圖1-3是這些交互作用的簡單示意。此外，在MFC環(huán)境中，各種群落微生物形成代謝和呼吸網絡，非產電微生物還可能會分泌某些電子介體類物質，而產電細菌的不完全代謝產物可能是某些非產電微生物的營養(yǎng)物質。1.2.3陽極和陽極材料MFC陽極作為產電微生物生長附著的場所，陽極材料應當有利于產電微生物快速附著并順利將電子傳遞到陽極。陽極性能影響因素主要包括：1、導電性；2、化學穩(wěn)定；3、機械強度；4、表面積；5、生物兼容性等。MFC可采用的陽極材料主要有碳基材料、金屬或金屬化合物、導電聚合物等[28,29]。較常使用的碳基材料包括：碳布、碳刷、碳棒、碳網、碳紙、碳氈、顆�；钚�
本文編號：3386582
【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：164 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
氧氣作陰極電子受體的MFC工作原理示意圖
華中科技大學博士學位論文5圖1-2MXCs工作原理示意圖：（a）單室MFC，（b）微生物電解池（MEC），（c）微生物脫鹽池（MDC），（d）微生物電化學合成池（MESC）Figure1-2Schematicworkingprincipleof(a)singlechamberMFC,(b)microbialelectrolysiscell(MEC),(c)microbialdesalinationcell(MDC)and(d)andmicrobialelectrosynthesiscell(MESC).1.2.2產電微生物及其電子轉移機制自然界中許多微生物可將代謝活動產生的電子傳遞到電極。這些產電微生物廣泛分布于海底沉積物、土壤、河湖底泥、廢水、活性污泥等富含微生物的自然或污染環(huán)境中。目前已知的電活性細菌（electrochemnicallyactivebacteria，EAB）主要為異化金屬還原菌（Dissmilitorymetalreductingbacteria，DMRB），包括Geobacterspp.，Shewanellaspp.，Rhodoferaxferrireducens，Aeromonashydrophila，Pseudomonasaeruginosa,Clostridiumbutyricum，Enterococcusgallinarum等[17]。DMRB在自然環(huán)境或污染環(huán)境中占微生物數量較低（3%左右），而在經過馴化后的MFC環(huán)境中，這類微生物占比可達70%以上。一般認為，MFC產電過程與DMRB的金屬還原過程相似。在自然界中，DMRB
華中科技大學博士學位論文8圖1-3產電微生物向電極的電子轉移機制[16]：①以發(fā)酵產物為電子中介體的間接電子轉移；②通過蛋白質細胞色素C的直接電子轉移；③通過導電pili的直接電子轉移Figure1-3MechanismsinvolvedinelectrontransferfromEABtoelectrode[16]:①indirecttransferviamediatorsorfermentationproducts;②directtransferviacytochromeproteins;③directtransferviaconductivepili.實際上，電活性微生物與電極間的電子傳導通常是上述幾種電子傳導機制同時存在并相互協調的結果。例如，Shewanellaoneidensis可通過外膜細胞色素C和細胞納米導線進行直接電子傳遞，其細胞分泌物核黃素和黃素單核苷酸可作為電子介體促進電子傳遞，核黃素還會與細胞色素C結合介導電子向電極傳遞[17]。圖1-3是這些交互作用的簡單示意。此外，在MFC環(huán)境中，各種群落微生物形成代謝和呼吸網絡，非產電微生物還可能會分泌某些電子介體類物質，而產電細菌的不完全代謝產物可能是某些非產電微生物的營養(yǎng)物質。1.2.3陽極和陽極材料MFC陽極作為產電微生物生長附著的場所，陽極材料應當有利于產電微生物快速附著并順利將電子傳遞到陽極。陽極性能影響因素主要包括：1、導電性；2、化學穩(wěn)定；3、機械強度；4、表面積；5、生物兼容性等。MFC可采用的陽極材料主要有碳基材料、金屬或金屬化合物、導電聚合物等[28,29]。較常使用的碳基材料包括：碳布、碳刷、碳棒、碳網、碳紙、碳氈、顆�；钚�
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