本文關(guān)鍵詞：循環(huán)式微生物燃料電池產(chǎn)電性能及其微生物系統(tǒng)發(fā)育研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《華中科技大學(xué)》 2013年

循環(huán)式微生物燃料電池產(chǎn)電性能及其微生物系統(tǒng)發(fā)育研究

王海萍  

【摘要】：新能源和可持續(xù)能源的研究和開發(fā)成為當(dāng)今世界解決環(huán)境污染和能源危機(jī)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）作為一種新型清潔能源，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、安全無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)的廣泛關(guān)注。但是目前研究的大部分MFC都采用非生物陰極，利用質(zhì)子交換膜隔開MFC的陰極和陽(yáng)極兩個(gè)極室。其成本高、穩(wěn)定性差、容易造成催化劑污染等問(wèn)題限制了其發(fā)展，不利于電池的放大。 筆者通過(guò)獲得國(guó)家留學(xué)基金委員會(huì)“國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生”留學(xué)項(xiàng)目的資助和校際合作在美國(guó)University of California, Ivine大學(xué)Sunny C. Jiang教授實(shí)驗(yàn)室開展微生物燃料電池的研究。本文以降低微生物燃料電池成本，結(jié)合廢水處理過(guò)程，推動(dòng)微生物燃料電池技術(shù)將來(lái)放大應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建循環(huán)式微生物燃料電池（Circulating Microbial Fuel Cell, CMFC），并對(duì)其產(chǎn)電性能，微生物群落系統(tǒng)發(fā)育進(jìn)程，電子傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了深入研究。本文主要結(jié)果如下： 設(shè)計(jì)構(gòu)建了全生物雙極室結(jié)構(gòu)的循環(huán)式微生物燃料電池（CMFC），采用可反復(fù)循環(huán)利用的多孔過(guò)濾分離器替代傳統(tǒng)MFC采用的質(zhì)子交換膜。由于CMFC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)促進(jìn)了質(zhì)子從陽(yáng)極向陰極的傳遞，避免陽(yáng)極和陰極液的pH分化問(wèn)題，有利于產(chǎn)電性能的提高。在CMFC采用直徑4.5cm的分離器，進(jìn)料速度1L/day進(jìn)行啟動(dòng)運(yùn)行保證了陽(yáng)極的厭氧環(huán)境。連續(xù)進(jìn)料啟動(dòng)模式有利于產(chǎn)電微生物的生長(zhǎng)和質(zhì)子的傳輸，CMFC在較短的適應(yīng)期后，，電壓不斷的增加至200mV，連續(xù)運(yùn)行7天后電壓升至500mV，之后一直保持在500~610mV之間。CMFC采用12mM乙酸為底物在進(jìn)料速度1L/d的連續(xù)運(yùn)行條件下，能獲得了58.1%最高庫(kù)侖效率（CE）和30.1mW/m2功率密度最大值。 分別對(duì)陽(yáng)極種泥、系統(tǒng)初步運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行期的微生物樣品（A1-A3）進(jìn)行了細(xì)菌及古生菌微生物生態(tài)學(xué)分析。A1-A3樣品的細(xì)菌群落分析表明，陽(yáng)極不同時(shí)期的細(xì)菌群落在門、綱、目、屬水平上均具有較高的多態(tài)性。生長(zhǎng)環(huán)境的改變及電極趨化作用促使了陽(yáng)極物種在不同運(yùn)行期的明顯變化，A1樣品中主要物種為厚壁菌門（Firmicutes）、變形菌門（Proteobacteria）和熱袍菌門（Thermotogae）。在A2-A3樣品中主要物種為厚壁菌門、擬桿菌門（Bacteroidetes）和變形菌門。部分物種生長(zhǎng)受到明顯抑制，同時(shí)一些新的物種也得以發(fā)展，適應(yīng)生長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)菌得到了進(jìn)一步富集。A1-A3樣品的古生菌群落分析表明，古生菌物種總量大，豐度小。古生菌的生長(zhǎng)在CMFC運(yùn)行操作期受到抑制，總體數(shù)量明顯下降。同時(shí)優(yōu)勢(shì)物種的所占比重減小，物種多樣性和均勻度增強(qiáng)。主要物種由嗜熱甲烷鬃毛菌（Methanosaetathermophila）向甲烷八疊球菌（Methanosarcina vacuolata）和甲烷微菌（Methanoregulaformicicum）轉(zhuǎn)變。在陽(yáng)極菌群中，對(duì)CMFC電能輸出起主要作用的菌種有三大類：擬桿菌（Bacteroides spp.）、芽孢桿菌（Bacillus spp.）和梭菌（Clostridium spp.）。 對(duì)陰極系統(tǒng)接種活性污泥、系統(tǒng)初步運(yùn)行和穩(wěn)定運(yùn)行期的微生物樣品（C1-C3）進(jìn)行了微生物生態(tài)學(xué)分析。C1-C3樣品的細(xì)菌群落分析表明，陰極細(xì)菌群落均具有較高的多態(tài)性，細(xì)菌群落的豐度、多樣性和均一性指數(shù)值隨運(yùn)行時(shí)期呈先下降后上升的趨勢(shì)。好氧細(xì)菌物種豐富，主要物種為變形菌門和擬桿菌門�？傮w來(lái)看，物種豐富程度經(jīng)歷了從減弱到重新增強(qiáng)，分布程度從集中到恢復(fù)均勻的發(fā)育進(jìn)程。CMFC產(chǎn)電過(guò)程中參與陰極生物催化過(guò)程的主要優(yōu)勢(shì)菌種有四大類：歸屬于變形菌門的Dokdonella spp.和Rhodanobacter spp.兩種菌種在啟動(dòng)期和穩(wěn)定期都具有優(yōu)勢(shì)作用；在穩(wěn)定期突顯優(yōu)勢(shì)作用的噬細(xì)胞菌（Cytophaga spp.）和假單胞菌（Pseudomonas spp.）。 陽(yáng)極和陰極生物膜表面特征及活性觀察表明：陰極和陽(yáng)極中生物膜的表層都有大量處于良好成熟期的活性生物膜覆蓋。電子傳導(dǎo)介體實(shí)驗(yàn)和陽(yáng)極菌種研究表明：生物膜引起的直接電子傳遞對(duì)CMFC電能的產(chǎn)生具有主要的貢獻(xiàn)作用；陽(yáng)極懸浮微生物通過(guò)自分泌的初級(jí)代謝物和次級(jí)代謝物作為電子介體引起的間接電子傳遞也同時(shí)存在CMFC電能的產(chǎn)生過(guò)程中，包括脫硫菌和產(chǎn)氫菌產(chǎn)生的初級(jí)代謝介體電子傳遞，以及假單胞菌次級(jí)代謝物綠膿菌素引起的具有可逆性介體電子傳遞。并由此推導(dǎo)出CMFC中存在的主要電子傳遞機(jī)制過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TM911.45
【目錄】：

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中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 記者 符王潤(rùn) 通訊員 曾曉舵 李潔尉 劉靜;[N];廣東科技報(bào);2010年

2 記者 路平;[N];廣東科技報(bào);2010年

3 ;[N];中國(guó)環(huán)境報(bào);2005年

4 蕭瀟;[N];中國(guó)煤炭報(bào);2005年

5 華羽;[N];光明日?qǐng)?bào);2009年

6 張芮;[N];中國(guó)石化報(bào);2010年

7 郭明波/譯;[N];北京科技報(bào);2000年

8 張文;[N];中國(guó)經(jīng)濟(jì)導(dǎo)報(bào);2009年

9 柯濟(jì);[N];兵團(tuán)日?qǐng)?bào)(漢);2004年

10 劉霞;[N];科技日?qǐng)?bào);2011年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張葉臻;新型石墨紙和石墨烯在微生物燃料電池中的應(yīng)用研究[D];華南理工大學(xué);2013年

2 王凱鵬;電子中介體固定化及其在微生物燃料電池陽(yáng)極的應(yīng)用[D];武漢大學(xué);2010年

3 莫光權(quán);功能化碳納米管材料在微生物燃料電池中的應(yīng)用研究[D];華南理工大學(xué);2010年

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

5 彭新紅;鐵（Ⅲ）氧化物修飾微生物燃料電池陽(yáng)極及其電容特性研究[D];南開大學(xué);2013年

6 王海萍;循環(huán)式微生物燃料電池產(chǎn)電性能及其微生物系統(tǒng)發(fā)育研究[D];華中科技大學(xué);2013年

7 張瀟源;空氣型微生物燃料電池分隔材料、陰極及構(gòu)型優(yōu)化[D];清華大學(xué);2012年

8 史昕欣;空氣陰極微生物燃料電池陰極結(jié)構(gòu)及催化劑的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

9 王海萍;循環(huán)式微生物燃料電池產(chǎn)電性能及其微生物系統(tǒng)發(fā)育研究[D];華中科技大學(xué);2013年

10 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

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 常繼勇;微生物燃料電池處理生活污水特性研究[D];沈陽(yáng)建筑大學(xué);2013年

2 陳立香;基于廢水處理的微生物燃料電池的研制及基礎(chǔ)研究[D];汕頭大學(xué);2010年

3 周玲;鹽橋連接下微生物燃料電池陽(yáng)極材料及其應(yīng)用的研究[D];廣東工業(yè)大學(xué);2011年

4 李明;無(wú)膜微生物燃料電池性能特性與應(yīng)用拓展研究[D];重慶大學(xué);2011年

5 吳自潤(rùn);基于泡沫金屬電極的微生物燃料電池產(chǎn)電性能研究[D];華南理工大學(xué);2011年

6 亓召琴;微生物燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)研究與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];煙臺(tái)大學(xué);2012年

7 曹曉燕;微生物燃料電池應(yīng)用于廢水處理關(guān)鍵技術(shù)研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2012年

8 屈原津;以谷殼及剩余污泥為底物的微生物燃料電池性能研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

9 張領(lǐng)艷;微生物燃料電池及介孔磷酸鋯陽(yáng)極材料的電化學(xué)研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2011年

10 李建海;海底沉積物微生物燃料電池陽(yáng)極表面改性及電極構(gòu)型研究[D];中國(guó)海洋大學(xué);2010年

  本文關(guān)鍵詞：循環(huán)式微生物燃料電池產(chǎn)電性能及其微生物系統(tǒng)發(fā)育研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：69350