微小孔隙内电化学活性生物膜成膜及pH分布特性

发布时间：2017-06-22 12:07

  本文关键词：微小孔隙内电化学活性生物膜成膜及pH分布特性，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：众所周知,能源与环境问题是21世纪人类面临的两大难题,它们严重制约着经济社会的可持续发展。近年来,随着社会经济的高速发展,传统的化石能源被过度开采,日益趋近于枯竭,同时,环境问题尤其是水污染问题也日益严重。而目前传统的污水处理工艺一直处于“高投入、零产出”的状态。因此,为了保证人类的可持续发展,寻找一种新型的清洁能源与污水处理工艺势在必行。在这种背景下,微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)由于可以在处理污水的同时产生电能受到了研究者们的广泛关注。目前,MFC低的功率输出限制了其商业化应用。在众多MFC性能影响的因素中,MFC的阳极性能是最重要的因素之一,尤其是微小孔隙内的阳极生物膜特性。本文以2B铅笔芯为三维阳极阵列基本单元构建了不同微小孔隙结构的三维阳极阵列,并针对阳极微孔结构内的底物和产物传输、生物膜成膜及pH分布特性进行了研究。本文主要研究成果如下:(1)构建了固定间距0.5 mm而不同阵列大小的石墨阳极阵列,研究其内部pH分布和生物膜特性。实验结果表明,2×2阵列的石墨阳极与单根石墨阳极上富集的生物膜电化学特性基本相同,而当石墨阳极阵列扩大至6×6时,其中心区域pH值远低于外层电极区域。由于酸性pH环境会抑制电极表面生物膜的生长且降低其产电活性,因此6×6阵列的石墨阳极内产电份额远小于其外层电极。(2)构建了固定框架为196 mm2而不同间距大小的石墨阳极阵列,研究其内部pH分布和生物膜特性。实验结果表明,当阳极内部间距大于3.4 mm时,产物氢离子的传递对生物膜成膜影响较小;反之,当间距小于3.4 mm时,生物膜活性将受到氢离子扩散速率的限制。而当阳极间距减小为1.66 mm时,其内部pH的不均匀分布导致了石墨棒电极表面生物膜产电能力的巨大差异。(3)构建了实验中最大固定阵列(10×10)石墨阳极,研究其内部pH分布及生物膜特性。通过与上述研究对比发现,当电极阵列中电极根数大于16根时,电极根数的增加对其产电提升效果较小。同时,随着阳极内部电极根数的增多且电极间距的减小,电极欧姆内阻基本保持不变而传荷内阻不断增大。此外,研究结果还表明,电极内部pH值差异越小,生物膜在电极表面分布越均匀。
【关键词】：石墨棒电极 电极阵列 pH分布 生物膜成膜 孔隙
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2;O646
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 前言9-10
• 1.2 MFC简介10-13
• 1.2.1 MFC发展历程10
• 1.2.2 MFC产电原理10-12
• 1.2.3 MFC的性能影响12-13
• 1.3 MFC阳极国内外研究现状13-18
• 1.3.1 MFC阳极材料13-15
• 1.3.2 阳极启动电势对生物膜性能的影响15-17
• 1.3.3 生物膜内氢离子传递特性对其产电性能的影响17-18
• 1.4 已有研究工作的不足18
• 1.5 本文的主要工作18-21
• 2 实验装置及实验方法21-37
• 2.1 前言21
• 2.2 实现系统的设计组装以及启动21-28
• 2.2.1 工作电极及对电极的材料选取21
• 2.2.2 三维微小孔隙阳极的组装21-25
• 2.2.3 反应器的结构以及材料25-28
• 2.2.4 电池的启动28
• 2.3 测试系统及测试方法28-37
• 2.3.1 微电极测试系统28-30
• 2.3.2 PMC多通道电化学工作站30-31
• 2.3.3 测试方法31-37
• 3 固定间距石墨棒阵列电极生物膜与p H分布特性研究37-61
• 3.1 引言37
• 3.2 单根、4 根石墨棒电极性能特性37-49
• 3.2.1 阳极启动曲线37-39
• 3.2.2 石墨棒电极阵列内部p H及电流分布39-41
• 3.2.3 阳极生物膜活性表征41-46
• 3.2.4 石墨棒电极阵列中不同区域内阻分析46-47
• 3.2.5 不同区域的石墨棒阳极生物量及生物膜形貌观测47-49
• 3.3 36 根石墨棒电极阵列（6×6）三维阳极实验研究49-59
• 3.3.1 阳极启动曲线及电极阵列对称性验证49-50
• 3.3.2 6×6 石墨棒电极阵列内部p H及电流分布50-53
• 3.3.3 阳极生物膜活性表征53-57
• 3.3.4 不同区域的石墨棒阳极的内阻分析57-58
• 3.3.5 不同区域的石墨棒阳极生物量及生物膜形貌观测58-59
• 3.4 本章小结59-61
• 4 固定框架下不同间距石墨棒电极阵列实验研究61-79
• 4.1 引言61
• 4.2 阳极启动曲线及电极阵列对称性验证61-63
• 4.3 石墨棒电极阵列内部p H及电流分布63-66
• 4.4 阳极生物膜的活性表征66-72
• 4.4.1 有底物条件下阳极生物膜循环伏安曲线66-68
• 4.4.2 无底物条件下阳极生物膜循环伏安曲线68-72
• 4.5 不同区域的石墨棒阳极的内阻分析72-74
• 4.6 不同区域的石墨棒阳极生物量及生物膜形貌观测74-76
• 4.7 本章小结76-79
• 5 100 根石墨棒电极阵列实验研究79-93
• 5.1 引言79
• 5.2 阳极启动曲线及电极阵列对称性验证79-81
• 5.3 石墨棒电极阵列内部p H及电流分布81-83
• 5.4 阳极生物膜的活性表征83-88
• 5.4.1 有底物条件下阳极生物膜循环伏安曲线83-84
• 5.4.2 无底物条件下阳极生物膜循环伏安曲线84-88
• 5.5 不同区域的石墨棒阳极的内阻分析88-89
• 5.6 不同区域的石墨棒阳极生生物量及生物膜形貌观测89-90
• 5.7 本章小结90-93
• 6 结论与展望93-95
• 6.1 本文主要结论93
• 6.2 后续工作与展望93-95
• 致谢95-97
• 参考文献97-101
• 附录101
• A. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目101
• B. 作者在攻读硕士学位期间获得的荣誉101

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