以阴、阳离子交换膜为分离膜的MFC性能研究

发布时间：2020-10-30 18:51

　　 微生物燃料电池(Microbial fuel cells,MFCs)利用微生物降解水中的有机物,同时将化学能转化成电能,因此在水污染控制及资源化领域受到了广泛关注。离子交换膜作为双室微生物燃料电池重要的阴阳极分隔材料,在电池运行过程中起着重要的作用。然而针对以离子交换膜为分隔材料的MFC不同条件下(如不同离子型膜、不同阴极条件、不同的结构参数等)的性能差异及影响因素却没有系统的研究。研究了不同离子型的离子交换膜对MFC的影响。以石墨毡为阴阳电极,铁氰化钾缓冲溶液为阴极电子受体,分别比较了以氢型阳离子交换膜(CEM-H).钠型阳离子交换膜(CEM-Na)、氢氧根离子型阴离子交换膜(AEM-OH)及氯型阴离子交换膜(AEM-Cl)四种离子交换膜为分离膜的MFC电化学特性。结果表明：CEM-H电导率远高于CEM-Na, AEM-OH电导率高于AEM-Cl。在电池运行初期CEM-H、AEM-OH分别展现了比相应的CEM-Na、AEM-Cl更好的电化学性能包括更高的功率输出、更低的内阻。其中CEM-H对应的MFC最先于77小时达到最大电压,且最大功率密度Pmax可达899mW/m2。以AMI-7001为分隔膜的MFC在铁氰化钾缓冲液阴极条件下会发生膜污染,增大了膜传质阻抗,降低了MFC的产电性能。研究了MFC阴极运行条件与MFC性能的关系。分别让MFC依次在铁氰化钾阴极、曝气式缓冲液阴极、曝气式自来水阴极稳定运行,并分析其各自电化学特性。结果显示：铁氰化钾阴极MFC电压极化主要受阳极极化控制,空气阴极的电压极化主要由阴极极化控制。对于缓冲液空气阴极,曝气速率由0.9mL/s提升至1.8mL/s,使得受污染的AEM膜传质阻抗由29.06Ω降低至8.77Ω。同时降低了MFC阴极过电位,减小了活化损失。以自来水空气阴极代替缓冲液空气阴极增大了MFC的欧姆阻抗和有限扩散阻抗。降低了MFC的电压输出和功率输出。分析了膜面积、阳极距离膜间距等因素对MFC性能的影响。结果表明：MFC功率密度随着分离膜面积的增大而增大,内阻随着分离膜面积的增大而越小,其中包括欧姆阻抗的减小,以及极化阻抗的减小。随着阳极-膜距离拉近,MFC显示出更小的内阻及更好的阳极电化学活性,致使产电功率增大。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：X703;TM911.45
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 微生物燃料电池的应用现状
    1.3 微生物燃料电池的工作原理
    1.4 MFC的特点
    1.5 MFC的分类
    1.6 MFC的结构
        1.6.1 阳极材料
        1.6.2 阴极材料
        1.6.3 分隔膜材料
    1.7 影响MFC性能的主要因素
        1.7.1 产电微生物
        1.7.2 阳极底物
        1.7.3 阴极电子受体
        1.7.4 质子的迁移
        1.7.5 操作条件
    1.8 研究的目的和意义
    1.9 本课题的主要内容
第2章 实验材料及测试方法
    2.1 实验试剂与仪器
    2.2 菌种的培养
    2.3 微生物燃料电池的构建
    2.4 离子交换膜的准备
    2.5 膜及电池的测试
        2.5.1 离子交换容量
        2.5.2 吸水率
        2.5.3 质子电导率
        2.5.4 电压测试
        2.5.5 循环伏安法测试
        2.5.6 交流阻抗法测试
        2.5.7 极化曲线测试
        2.5.8 库伦效率测试
        2.5.9 pH值测试
        2.5.10 扫描电镜测试（SEM）
第3章 不同类型的离子交换膜在MFC中的性能及电化学研究
    3.1 引言
    3.2 实验部分
        3.2.1 离子交换膜的处理
        3.2.2 实验MFC系统的设计与运行
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 膜基本性质参数
        3.3.2 MFC的启动
        3.3.3 MFC的极化曲线及最大功率密度
        3.3.4 MFC的电池阻抗分析
        3.3.5 电池的pH值变化及库伦效率
    3.4 本章小结
第4章 不同阴极运行条件下MFC的性能研究
    4.1 前言
    4.2 材料与方法
        4.2.1 微生物燃料电池系统的构建
        4.2.2 实验的设计和运行
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 MFC运行过程中的电压变化
        4.3.2 不同阴极运行条件下的极化曲线及功率密度曲线
        4.3.3 MFC电极电位极化
        4.3.4 EIS分析不同阴极运行条件下MFC阻抗
    4.4 本章小结
第5章 不同结构参数下MFC性能的影响
    5.1 前言
    5.2 不同膜面积对MFC影响
        5.2.1 对MFC启动的影响
        5.2.2 极化曲线和功率密度曲线
        5.2.3 电化学阻抗测试
        5.2.4 阳极pH值变化
    5.3 阳极与膜间距对MFC的影响
        5.3.1 极化曲线及功率密度曲线
        5.3.2 阳极cv曲线
        5.3.3 电化学阻抗测试
    5.4 本章小结
第6章 结论
致谢
参考文献
附录

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本文编号：2862864