本文關(guān)鍵詞：微生物電化學(xué)系統(tǒng)利用重金屬離子產(chǎn)電特性研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：人類社會(huì)的發(fā)展離不開能源的使用和開發(fā),但日漸稀少的化石能源和其燃燒后所造成的環(huán)境污染問題,已成為各國所面臨的棘手問題,因此加大對生物質(zhì)能源的開發(fā)利用已成為當(dāng)務(wù)之急。微生物電化學(xué)系統(tǒng)(Microbial electrochemical system,BES)是利用微生物作為電化學(xué)反應(yīng)中的催化劑,將廢水中的有機(jī)物所包含的化學(xué)能或者生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能或生成氫氣,這是一項(xiàng)環(huán)境友好型產(chǎn)能技術(shù),具有良好的應(yīng)用前景。一直以來,BES系統(tǒng)的陰極多為使用鉑(Pt)作為催化劑的空氣陰極或鐵氰化鉀陰極。Pt作為催化劑成本較高、且催化劑容易被污染;而鐵氰化鉀需按時(shí)更換,實(shí)際應(yīng)用性差。因此如果能將某些具有較高氧化還原電位的廢物(如某些重金屬離子)作為陰極的電子受體,這將大大提高BES的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。并且現(xiàn)有的BES系統(tǒng)產(chǎn)生的電量及電壓均較低,無法滿足日常需要,因此如何真正有效地利用BES產(chǎn)生的電能也是研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題�；谝陨戏治�,本文以模擬的重金屬廢水在BES系統(tǒng)中產(chǎn)電的特性及產(chǎn)生的微小電能后續(xù)利用的可行性為研究對象,解決了傳統(tǒng)BES系統(tǒng)陰極成本過高及產(chǎn)生電能過低難以利用的問題。研究了分別以氧化還原電位較高的Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)作為陰極電子受體的陽離子膜型微生物燃料電池(microbial fuel cell,MFC)和陰離子膜型MFC的產(chǎn)電效能,考察了其在不同初始p H和重金屬離子濃度下的電壓、功率密度和內(nèi)阻變化情況。并在提高其產(chǎn)電性能的基礎(chǔ)上,考察了陰極重金屬離子的變化趨勢。針對MFC運(yùn)行過程中陰極液中的離子向陽極室遷移而造成的陽極微生物活性降低的問題,將微生物脫鹽燃料電池(microbial desalination cell,MDC)應(yīng)用于銅、鉻強(qiáng)化產(chǎn)電中,分析比較了不同BES系統(tǒng)的產(chǎn)電性能。針對BES系統(tǒng)產(chǎn)能較低,將BES產(chǎn)生的電能用于驅(qū)動(dòng)能耗低的電容去離子技術(shù)(Capacitive deionization,CDI),實(shí)現(xiàn)了對BES系統(tǒng)產(chǎn)生的能量的進(jìn)一步利用。針對于現(xiàn)有的MFC利用重金屬產(chǎn)電系統(tǒng)中使用的是成本高昂的質(zhì)子交換膜的問題,主要考察了由應(yīng)用成本只有質(zhì)子交換膜1/40的陰陽離子交換膜所構(gòu)建的MFC,在利用Cu(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)作為陰極電子受體時(shí)的產(chǎn)電輸出性能。結(jié)果表明,p H3.0、初始Cu(Ⅱ)濃度為1000 mg/L時(shí),1000Ω外電阻下的最高電壓可達(dá)478 m V,相應(yīng)的電流密度和功率密度分別為243.5 m A/m2和116.4 m W/m2,并且經(jīng)過長期運(yùn)行后產(chǎn)電性能穩(wěn)定。而在使用Cr(Ⅵ)作為陰極電子受體時(shí),當(dāng)p H2.0,Cr(Ⅵ)濃度為100 mg/L時(shí)獲得的最高電壓可達(dá)500 m V以上,但由于p H 2.0時(shí)大量的H+由陰極室滲透入陽極室內(nèi),造成運(yùn)行三個(gè)周期后MFC處于崩潰狀態(tài)。當(dāng)以陰極表面生長有馴化后的微生物為催化劑時(shí),在陰極液p H為6.8~7.0、初始Cr(Ⅵ)濃度為80 mg/L時(shí),電壓就可達(dá)到490 m V以上,最大電流密度可達(dá)250 m A/m2,是p H 7.0非生物陰極時(shí)的200倍,并且經(jīng)過長期的運(yùn)行后產(chǎn)電性能無改變。通過高通量測序發(fā)現(xiàn),Acinetobacter在屬的水平上所占的比例達(dá)到23.5%。Acinetobacter不僅具有較高的耐受Cr(Ⅵ)的能力,還能夠?qū)r(Ⅵ)進(jìn)行還原。并且在存在陰極生物膜的條件下,MFC的輸出電壓明顯升高,說明Acinetobacter是具有Cr(Ⅵ)還原能力的一類電化學(xué)活性微生物。在上述的MFC中,Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)都因得到電子而從溶液中被去除,最高的去除率可以達(dá)到99%以上,出水中Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)濃度均小于1 mg/L。這些結(jié)果表明,使用重金屬離子作為電子受體的MFC不僅可以獲得較高的電能輸出,還可以對重金屬有去除的作用。針對于Cr生物陰極MFC的適應(yīng)濃度低而非生物陰極Cr-MFC的H+滲透問題,在MFC研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了MDC系統(tǒng)利用鉻、銅強(qiáng)化產(chǎn)電的研究。提出能夠以Cr(Ⅵ)作為電子受體的三室微生物脫鹽燃料電池(MDC)以及Cu(Ⅱ)作為陰極電子受體的新型四室微生物脫鹽電池(FMDC)。結(jié)果表明,三室MDC中的CEM可以有效的阻止Cr(Ⅵ)以Cr2O72-的形式進(jìn)入到其他室內(nèi),而AEM能夠阻止H+進(jìn)入到陽極室內(nèi),從而達(dá)到陽極室的穩(wěn)定運(yùn)行。MDC能夠在p H 2.0時(shí)長期運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)中采用的Cr(Ⅵ)濃度范圍為100~1000 mg/L,最大電流密度可達(dá)1360 m A/m2。而針對Cu(Ⅱ)所構(gòu)建的FMDC也能夠阻止陰極液中的Cl-滲透入陽極室,在外阻為10Ω、初始Cu(Ⅱ)濃度為800 mg/L時(shí),FMDC獲得的最大電流密度可以達(dá)到2.0A/m2。同等運(yùn)行條件下的MFC和MDC系統(tǒng)內(nèi)阻比較發(fā)現(xiàn),MFC的內(nèi)阻是MDC內(nèi)阻的50%左右。而內(nèi)阻越小越有助于BES的電能輸出,因此MFC更適合作為電源驅(qū)動(dòng)CDI,對廢水中的Cu(Ⅱ)進(jìn)行吸附去除。單一MFC供電的吸附效果比0.8V直流電源供電時(shí)降低了11.5%。當(dāng)采用BES的串聯(lián)或并聯(lián)為CDI供電時(shí),可以顯著的提高CDI的電吸附性能。三個(gè)MFC并聯(lián)或串聯(lián)的情況下CDI對Cu(Ⅱ)的吸附容量都可達(dá)到22 mg/g以上,比單一MFC供電時(shí)CDI的吸附容量分別提高了20.4%和22.4%。本文研究了BES系統(tǒng)利用Cr(Ⅵ)和Cu(Ⅱ)產(chǎn)電的特性,在以產(chǎn)電為主的同時(shí),輔以完成脫鹽和重金屬去除的過程。并且探討現(xiàn)階段BES系統(tǒng)產(chǎn)電應(yīng)用的可行性,用其驅(qū)動(dòng)CDI電極吸附去除廢水中的Cu(Ⅱ),取得了較好的處理效果,最終達(dá)到了BES系統(tǒng)廢物資源化的目的。
【關(guān)鍵詞】：生物電化學(xué)系統(tǒng) 微生物燃料電池 微生物脫鹽燃料電池 電容去離子 重金屬離子
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TM911.45;X703
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-16
• 第1章 緒論16-42
• 1.1 課題背景16-21
• 1.1.1 國內(nèi)外能源發(fā)展現(xiàn)狀16-18
• 1.1.2 廢物的能源化技術(shù)18-19
• 1.1.3 重金屬廢水的污染及治理19-21
• 1.2 微生物電化學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展及工作原理21-25
• 1.2.1 發(fā)展歷程21-23
• 1.2.2 基本原理和結(jié)構(gòu)23
• 1.2.3 微生物電子轉(zhuǎn)移機(jī)制23-25
• 1.3 微生物電化學(xué)系統(tǒng)的材料和構(gòu)型25-31
• 1.3.1 陽極材料25-27
• 1.3.2 陰極材料27-29
• 1.3.3 膜材料29-30
• 1.3.4 反應(yīng)器構(gòu)型30-31
• 1.4 微生物電化學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域31-37
• 1.4.1 BES系統(tǒng)在廢水處理與同步產(chǎn)電中的應(yīng)用31-33
• 1.4.2 產(chǎn)氫的應(yīng)用33
• 1.4.3 BES系統(tǒng)在土壤修復(fù)中的應(yīng)用33-34
• 1.4.4 生物傳感器34
• 1.4.5 BES系統(tǒng)在海水淡化中的應(yīng)用34-37
• 1.5 電容去離子技術(shù)概述37-39
• 1.5.1 CDI技術(shù)的原理37-38
• 1.5.2 CDI技術(shù)的研究現(xiàn)狀38-39
• 1.5.3 CDI技術(shù)同BES系統(tǒng)的聯(lián)用工藝39
• 1.6 研究內(nèi)容與技術(shù)路線39-42
• 1.6.1 研究意義39-40
• 1.6.2 研究內(nèi)容與技術(shù)路線40-42
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法42-57
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料42-43
• 2.1.1 BES的電極材料42
• 2.1.2 膜材料42
• 2.1.3 CDI電極的制備42-43
• 2.2 實(shí)驗(yàn)藥劑與儀器43-45
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)藥品43-44
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器44-45
• 2.3 接種污泥、陽極培養(yǎng)液和陰極電解液45-46
• 2.3.1 接種污泥45
• 2.3.2 陽極培養(yǎng)液45
• 2.3.3 陰極電解液45-46
• 2.4 實(shí)驗(yàn)裝置46-50
• 2.4.1 MFC利用重金屬廢水產(chǎn)電的裝置46-47
• 2.4.2 MDC利用重金屬廢水產(chǎn)電、脫鹽的裝置47-48
• 2.4.3 BES系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)CDI吸附重金屬離子的裝置48-49
• 2.4.4 實(shí)驗(yàn)用水49-50
• 2.5 分析和測試方法50-52
• 2.5.1 揮發(fā)酸（VFA）濃度的測定50
• 2.5.2 Cr(Ⅵ)、總Cr和Cu(Ⅱ)濃度的測定50
• 2.5.3 陽極電極微生物形態(tài)的觀測50-51
• 2.5.4 陰極電極表面沉積物SEM-EDS、XPS分析51
• 2.5.5 電化學(xué)極譜（EIS）分析51
• 2.5.6 比表面積及孔隙分布測定51
• 2.5.7 傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）分析51-52
• 2.5.8 潤濕角測定52
• 2.5.9 電導(dǎo)率的測定52
• 2.6 計(jì)算方法52-57
• 2.6.1 電壓與電流52-53
• 2.6.2 輸出功率密度53
• 2.6.3 BES系統(tǒng)的內(nèi)阻和極化曲線53-54
• 2.6.4 恒電流充放電測試54
• 2.6.5 庫倫效率54-55
• 2.6.6 脫鹽效率和脫鹽速率55
• 2.6.7 電吸附量和解吸速率55-57
• 第3章 微生物燃料電池利用銅、鉻的產(chǎn)電特性研究57-83
• 3.1 引言57
• 3.2 微生物燃料電池利用銅的產(chǎn)電性能研究57-66
• 3.2.1 微生物燃料電池的配制及啟動(dòng)特性57-59
• 3.2.2 微生物燃料電池的產(chǎn)電性效能研究59-63
• 3.2.3 微生物燃料電池的陰極效能研究63-65
• 3.2.4 穩(wěn)定運(yùn)行條件下MFC的產(chǎn)電性能65-66
• 3.3 微生物燃料電池利用鉻產(chǎn)電的性能研究66-72
• 3.3.1 除鉻微生物燃料電池啟動(dòng)特性66-67
• 3.3.2 微生物燃料電池的產(chǎn)電效能研究67-69
• 3.3.3 微生物燃料電池的陰極效能研究69-71
• 3.3.4 穩(wěn)定運(yùn)行條件下MFC的產(chǎn)電性能71-72
• 3.4 生物陰極微生物燃料電池利用鉻強(qiáng)化產(chǎn)電的性能研究72-81
• 3.4.1 生物陰極微生物燃料電池的啟動(dòng)特性73-74
• 3.4.2 生物陰極MFC產(chǎn)電與陰極效能研究74-77
• 3.4.3 穩(wěn)定運(yùn)行條件下生物陰極除Cr的MFC的產(chǎn)電性能77-78
• 3.4.4 生物陰極內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)特征分析78-81
• 3.5 本章小結(jié)81-83
• 第4章 微生物脫鹽燃料電池利用銅、鉻強(qiáng)化產(chǎn)電特性的研究83-105
• 4.1 引言83
• 4.2 三室微生物脫鹽燃料電池利用鉻強(qiáng)化產(chǎn)電性能的研究83-93
• 4.2.1 三室微生物脫鹽燃料電池的配制及啟動(dòng)特性83-84
• 4.2.2 三室微生物脫鹽燃料電池的產(chǎn)電效能研究84-87
• 4.2.3 三室微生物脫鹽燃料電池的脫鹽效能研究87-89
• 4.2.4 三室微生物脫鹽燃料電池的陰極效能研究89-91
• 4.2.5 三室微生物脫鹽燃料電池長期運(yùn)行的性能研究91-93
• 4.3 四室微生物脫鹽燃料電池利用銅強(qiáng)化產(chǎn)電性能的研究93-99
• 4.3.1 四室微生物脫鹽燃料電池的配制及啟動(dòng)特性93
• 4.3.2 四室微生物脫鹽燃料電池的產(chǎn)電效能研究93-95
• 4.3.3 四室微生物脫鹽燃料電池的脫鹽效能研究95-97
• 4.3.4 四室微生物脫鹽燃料電池的陰極效能研究97-98
• 4.3.5 穩(wěn)定運(yùn)行條件下四室MDC的產(chǎn)電性能98-99
• 4.4 微生物脫鹽燃料電池中的重金屬轉(zhuǎn)化途徑與產(chǎn)物分析99-102
• 4.4.1 Cu(Ⅱ)的轉(zhuǎn)化途徑與最終產(chǎn)物分析99-100
• 4.4.2 Cr(Ⅵ)的轉(zhuǎn)化途徑與最終產(chǎn)物分析100-102
• 4.5 MFC與FMDC的內(nèi)阻比較102-103
• 4.6 本章小結(jié)103-105
• 第5章 微生物電化學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)電驅(qū)動(dòng)CDI吸附的特性研究105-126
• 5.1 引言105
• 5.2 粉末活性炭CDI電極的物化性質(zhì)研究105-109
• 5.2.1 CDI電極的結(jié)構(gòu)特性105-107
• 5.2.2 CDI電極的表面特性107-108
• 5.2.3 CDI電極的電化學(xué)特性108-109
• 5.3 直流穩(wěn)壓供電驅(qū)動(dòng)CDI電極吸附銅的性能研究109-112
• 5.3.1 電壓對CDI吸附銅效果的影響109-110
• 5.3.2 p H對CDI吸附銅效果的影響110-111
• 5.3.3 初始濃度對CDI吸附銅效果的影響111-112
• 5.4 MFC產(chǎn)電驅(qū)動(dòng)CDI處理含銅廢水效能研究112-121
• 5.4.1 MFC作為供電電源產(chǎn)電性能研究112-113
• 5.4.2 直流電與MFC供電模式下CDI除銅效能對比研究113-115
• 5.4.3 不同共存離子對MFC驅(qū)動(dòng)CDI除銅效能的影響115-117
• 5.4.4 多組MFC聯(lián)合供電方式對CDI除銅效能的影響117-119
• 5.4.5 吸附前后的電極表面分析119-121
• 5.5 MFC驅(qū)動(dòng)CDI吸附銅的動(dòng)力學(xué)過程研究121-125
• 5.5.1 吸附動(dòng)力學(xué)研究121-123
• 5.5.2 吸附等溫線研究123-125
• 5.6 本章小結(jié)125-126
• 結(jié)論126-128
• 參考文獻(xiàn)128-140
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果140-142
• 致謝142-144
• 個(gè)人簡歷144

  本文關(guān)鍵詞：微生物電化學(xué)系統(tǒng)利用重金屬離子產(chǎn)電特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：285303