微生物燃料电池电极材料的优化及处理生活污水的实验研究

【摘要】：随着全球性经济快速发展，能源短缺和环境污染问题成为了限制社会发展的关键性因素。而一种新型的废物资源化方式-微生物燃料电池（MFC），已经渐渐为研究者所青睐，以期待能为资源化短缺的今天有所作为。就目前存在的微生物燃料电池而言，存在构型过小难以几何放大，催化剂成本高，离子交换膜价格昂贵，产电量较小等问题。本课题主要以双室微生物燃料电池为研究对象，选用低价位催化剂修饰电极材料来提高微生物燃料电池的产电性能，并研究其处理生活污水的性能。 通过掺铅二氧化锰对MFC阴极材料进行修饰表明：与MnO2修饰的阴极对比，功率密度提高了45.99%，表观内阻降低了42.8，电压提高了62mV，最大电压可达448mV，不但提高了微生物燃料电池氧化还原电位的催化效果，而且也提高了产电效率。相比于Pt/C修饰，性能虽有差距，但降低了运行成本，便于实际投入运行。 MFC的阳极经过聚苯胺掺中性红修饰后，最大电压可达459mV，电压提高了51mV，功率密度提升了19.97%，表观内阻减小了32。电池的最大功率密度可达到为2019.35mW/m3，电池的启动时间缩短了57h，库仑效率提高24.71%。在对生活污水的处理方面，COD的去除速率也明显提高，最大COD去除速率达到93.6%。实验结果证明了PANI/NR修饰MFC阳极可增强阳极的生物兼容性和电子转移速率，并且减少电池的启动时间，具有一定的实际意义。 MFC阳极对生活污水去除效果及产电性能的研究表明：当COD初始浓度532.47mg/L时，MFC的电压最大为432mV，当初始COD的浓度为768.61mg/L时，最大电压所持续的时长最长为193h，而较低的初始COD浓度对MFC库伦效率和COD去除率的影响较小。当水力停留时间为8h，MFC的COD和氨氮去除率均达到最大，分别为82.40%和78.35%，功率密度和库伦效率均达到最大，分别为2252.67mW/m3和29.27%。上述结果表明MFC电极材料通过修饰后可提高其产电性能，利用MFC可实现生活污水处理的同时产生电能，为将来的实际应用提供了一定的参考价值。 【关键词】：微生物燃料电池 阳极 电压 水力停留时间
【学位授予单位】：内蒙古科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X799.3;TM911.45
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 引言8-9
• 1 绪论9-24
• 1.1 能源危机与环境污染9-11
• 1.1.1 能源危机9-10
• 1.1.2 环境污染现状10-11
• 1.2 微生物燃料电池概述11-22
• 1.2.1 微生物燃料电池的工作原理11-12
• 1.2.2 微生物燃料电池的构型12-14
• 1.2.3 微生物燃料电池的材料14-17
• 1.2.4 微生物处理废水的研究现状17-20
• 1.2.5 微生物燃料电池的优势及存在问题20-22
• 1.3 选题的意义及内容22-24
• 1.3.1 研究目的22
• 1.3.2 研究意义22-23
• 1.3.3 主要研究内容23
• 1.3.4 技术路线23-24
• 2 实验部分24-31
• 2.1 MFC 反应器装置的构建24-28
• 2.1.1 反应器结构设计24-25
• 2.1.2 材料预处理及阴阳极的修饰25
• 2.1.3 阴阳极的修饰25
• 2.1.4 反应器的接种25-27
• 2.1.5 实验材料与仪器27-28
• 2.2 数据的采集与方法28
• 2.2.1 水质指标分析方法28
• 2.2.2 电压采集28
• 2.2.3 电极材料的表征28
• 2.3 MFC 的产电性能评价与计算28-31
• 3 微生物燃料电池电极材料的优化31-44
• 3.1 Pb-MnO2修饰碳纤维作为 MFC 阴极性能研究31-36
• 3.1.1 Pb-MnO2修饰碳纤维的表征31-35
• 3.1.2 Pb-MnO_2修饰碳纤维作为阴极 MFC 产电性能的研究35-36
• 3.2 PANI/NR 修饰碳纤维作为 MFC 阳极性能的研究36-43
• 3.2.1 PANI/NR 修饰碳纤维的制备37
• 3.2.2 PANI/NR 修饰 PACF 的的表征37-39
• 3.2.3 PANI/NR 修饰碳纤维毡作为 MFC 阳极产电性能的研究39-43
• 3.3 小结43-44
• 4 微生物燃料电池处理生活污水同时产电性能的研究44-53
• 4.1 MFC 阳极对生活污水中 COD 去除效果及产电性能的研究44-47
• 4.1.1 初始浓度对 MFC 电压的影响44-45
• 4.1.2 初始浓度对 MFC 功率密度与外阻的影响45-46
• 4.1.3 初始浓度对 MFC 的库仑效率和 COD 去除率的影响46-47
• 4.2 水力停留时间对 MFC 污水处理效果的产电性能的影响47-51
• 4.2.1 HRT 对 MFC 的 COD 去除率的影响48-49
• 4.2.2 HRT 对 MFC 对氨氮去除率的影响49-50
• 4.2.3 HRT 对 MFC 功率密度和库伦效率的影响50-51
• 4.3 本章小结51-53
• 结论53-54
• 参考文献54-59
• 在学研究成果59-60
• 致谢60

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