【摘要】： 有機(jī)廢水處理是能源密集型綜合技術(shù),高能耗是其主要問題之一。在世界性能源危機(jī)的環(huán)境中,傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)不僅導(dǎo)致了較高的化石能源需求,而且有機(jī)物降解和能耗造成了大量的碳排放,引發(fā)了一系列新的環(huán)境問題。微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)是21世紀(jì)環(huán)境工程領(lǐng)域新興的廢水處理同步能源回收技術(shù),能在胞外產(chǎn)電菌的作用下將有機(jī)廢物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,然而目前產(chǎn)電機(jī)理尚不清晰�？紤]到未來應(yīng)用,MFC成本過高以及產(chǎn)電過程中的影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本論文圍繞多元生物質(zhì)在MFC中的轉(zhuǎn)化規(guī)律、新型電極材料的開發(fā)和雙室MFC的低成本運(yùn)行規(guī)律,其目的是降低MFC技術(shù)的成本,將MFC技術(shù)推向市場化。 本文首次驗(yàn)證了啤酒廢水可以直接作為MFC底物產(chǎn)電。在單室空氣陰極方形MFC中,以啤酒廢水中的土著微生物為接種菌源,全濃度廢水為底物,獲得了最大功率密度為205mW·m-2(30℃)。溫度影響了陰極電位,20℃下功率密度降低至170 mW·m-2,但COD去除率和庫侖效率(CE)變化不大。加入50和200mmol·L-1 PBS后功率密度上升。隨廢水濃度的升高,CE降低而功率密度線性升高。秸稈汽爆洗液同樣也可以作為陽極廉價(jià)底物產(chǎn)電,最大功率密度644mW·m-2。電導(dǎo)率的變化影響了陽極電位,使功率密度先上升而后下降。而PBS濃度升高使陰極區(qū)表面pH緩沖能力增強(qiáng),提高了陰極性能。在纖維素糖化菌群(H-C)和產(chǎn)電菌的協(xié)同作用下,首次在MFC中實(shí)現(xiàn)了天然固體秸稈產(chǎn)電,獲得了331mW·m-2的最大功率密度。將底物更換為汽爆秸稈后,最大功率密度升高至406mW·m-2。微生物群落演替分析表明,體系中可能的產(chǎn)電菌為Rhodopseudomonas palustris。 開發(fā)出了基于低成本碳纖維布的陽極材料和Nafion/PTFE新型陰極粘結(jié)劑材料,使MFC的單位容積和單位功率成本降低70%以上。使用碳纖維布替代傳統(tǒng)E-TEK碳布后,陽極成本降低了75%,功率輸出提高了7%。未經(jīng)預(yù)處理的碳纖維布產(chǎn)電性能較差。使用馬弗爐對碳纖維布進(jìn)行熱處理后(450℃,30min)獲得了922mW·m-2的最大功率密度,比只經(jīng)過丙酮清洗的碳纖維布陽極高3%,僅比高溫氨處理的碳布低7%。預(yù)處理提高M(jìn)FC性能的機(jī)理是:丙酮清洗和熱處理是通過去除電極表面影響電子傳遞的雜質(zhì),提供了更大的電化學(xué)活性表面積,促進(jìn)了產(chǎn)電過程進(jìn)行。高溫氨處理后除清潔作用外,表面N/C原子個(gè)數(shù)比與熱處理相比升高了近1倍(由2.9%升高至4.6%),說明氨處理過程中生成的含氮官能團(tuán)(如胺基)對產(chǎn)電過程有促進(jìn)作用。在此基礎(chǔ)上,使用重氮鹽向碳布表面連接不同含量的胺基,測試了胺基含量對產(chǎn)電性能的影響。在較低的胺基含量下,MFC的功率輸出并無顯著變化。當(dāng)官能團(tuán)比重上升至0.4%和0.9%后,MFC的功率密度有顯著提升,最大功率密度與氨處理電極相同,陽極表面的微生物蛋白含量也與氨處理電極相近。然而過量的胺基連接量抑制了微生物的生長,降低了功率輸出。開發(fā)出了廉價(jià)空氣陰極Nafion-PTFE催化劑粘結(jié)劑,降低了陰極成本。發(fā)現(xiàn)MFC的最高功率輸出隨粘結(jié)劑中Nafion含量線性增加。經(jīng)過25個(gè)周期運(yùn)行后,Nafion為粘結(jié)劑的MFC獲得的CE為20-29%,而粘結(jié)劑中加入PTFE略微降低CE至17-26%,而所有MFC最高電壓輸出變化不大。 發(fā)現(xiàn)了陽極恒定+200mV(Ag/AgCl)電位加速啟動(dòng),降低了MFC運(yùn)行成本。啟動(dòng)期內(nèi)恒電位系統(tǒng)較高的輸出電流是由于陽極恒定正電位提高了底物氧化推動(dòng)力造成的。啟動(dòng)完成后,不同方法啟動(dòng)的MFC性能相同。進(jìn)一步的研究表明,陽極電位在-400mV至+200mV(Ag/AgCl參比)范圍內(nèi),隨著陽極電位升高最大輸出電流升高,而最高電流獲得的時(shí)間縮短。但當(dāng)陽極電位進(jìn)一步升高至+400mV,峰電流卻降低至6.9mA。CE隨陽極電位的升高而增大,低電位下(-400mV至0mV)的CE較低主要是由于氫氣甲烷的產(chǎn)生造成的。升高陽極電位可以提高產(chǎn)電菌氧化底物的推動(dòng)力,從而在競爭中有效抑制發(fā)酵氣體生成。在較高的陽極電位下微生物生長獲得的電量比例降低,生長受到抑制。 構(gòu)建了無曝氣雙室微生物碳捕獲電池(MCCs),通過在陰極溶液中培養(yǎng)小球藻(Chlorella vulgaris)原位捕獲陽極產(chǎn)生的CO2,同時(shí)產(chǎn)生O2供給陰極作為電子受體,消除了雙室MFC陰極高能耗高成本的曝氣過程,最大功率密度為5.6W·m-3。CV和DO測試結(jié)果表明MCC陰極反應(yīng)的機(jī)理是藻類光合產(chǎn)氧,然后氧氣被還原,周期內(nèi)陽極室產(chǎn)生的所有氣態(tài)CO2均被捕獲。碳平衡計(jì)算表明MCC的碳捕獲率高達(dá)94±1%,為廢水的零碳排處理提供了新方法。
【圖文】：

圖 1-6 雙室 H 型 MFCsFig. 1-6 Two chambered H-shape MFCs但是，隔膜帶來的內(nèi)阻以及電子受體的可持續(xù)性是雙室 MFC 的不足。H室 MFC 的歐姆內(nèi)阻通常為 900~1000 [46,47]。Oh 和 Logan 的研究表明，膜面積分別為 3.5cm2、6.2cm2和 30.6cm2時(shí)，MFC 的功率輸出分別為W·m-2、68 mW·m-2和 190 mW·m-2（固定陰陽極面積均為 22.5cm2）[47]。果使用鹽橋替換隔膜，MFC 的內(nèi)阻會(huì)進(jìn)一步升高（內(nèi)阻約為 20000 ）9]。質(zhì)子透過隔膜的速率受到隔膜面積和擴(kuò)散系數(shù)的影響，因此在雙室C 中由于陰極消耗質(zhì)子的速率大于質(zhì)子補(bǔ)充的速率，導(dǎo)致了陰極 pH 升高極 pH 降低[13,50]。如式 1-3 和 1-4 所示，pH 變化會(huì)降低陰陽極的性能，從致 MFC 輸出功率的降低。盡管 K3Fe(CN)6等氧化劑過電位較低，但此類需要不斷更換并且再生過程需要外加能量，因此是不可持續(xù)的。如果使用氧作為電子受體，則需要高能耗的曝氣過程，且陰極的性能受溶解氧濃度響較大[46]。.1.2 雙室方型和圓筒型 MFC為了降低雙室 MFC 內(nèi)阻，有效地方法就是增大膜面積。雙室方型 MFC

圖 1-7 Rabaey 等設(shè)計(jì)的雙室方型 MFC[52]Fig. 1-7 Two chambered rectangle-shape MFC designed by Rabaey et al.[52]最大程度地減小內(nèi)阻和增大功率輸出，研究人員又開發(fā)出圓筒型可以看作方形 MFC 的變形。該類 MFC 的是由圓筒形緊緊包圍外層陰極室構(gòu)成（圖 1-8）。這種設(shè)計(jì)極大地縮小了兩極間距、換膜面積，因此內(nèi)阻只有 4 [53]。陽極隔膜隔膜陰極陰極陽極室電子受體 電子受體
【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】：2010
【分類號(hào)】：X703.1

【引證文獻(xiàn)】

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1 郭璇;詹亞力;郭紹輝;閻光緒;孫素秀;趙麗杰;耿榮妹;;煉油廢水微生物燃料電池啟動(dòng)及影響因素[J];環(huán)境工程學(xué)報(bào);2013年06期

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1 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

2 路璐;生物質(zhì)微生物電解池強(qiáng)化產(chǎn)氫及陽極群落結(jié)構(gòu)環(huán)境響應(yīng)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

3 孫丹;定向優(yōu)選陽極微生物促進(jìn)生物電化學(xué)系統(tǒng)效能的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

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

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本文編號(hào)：2706684