微生物燃料电池扩大实用化工艺优化研究
发布时间：2021-06-05 12:04
微生物燃料电池（Microbial fuel cell,简称MFC）是一种以细菌产出电能的新型技术,具备电化学活性的细菌附着于阳极之上,作用于底物所产生的电子经过外电路传递至阴极,并最终与电子受体结合形成回路。在产生电能的同时,细菌通过分解基质,实现了污染物的脱除,因此该技术在缓解能源危机和水环境污染方面具有重要影响。在经历了实验室阶段的机理与参数优化研究后,MFC技术开始朝扩大化实际应用方向发展,主要针对制约商业化的性能优化和成本管控等问题开展研究。在实验室扩大化研究中,所涉及的装置体积在1L到100L不等,产电功率在0.2-200W/m3以内,但研究较少兼顾经济性能与运行性能,未接入可靠储能设备开展电能利用实验,因此离实际规模应用有一定距离。本论文针对此类问题,构建了合适的可扩大化的MFC堆栈构型,结合自主设计的储能电路研究不同构型、不同连接方式等对MFC堆栈运行性能的影响,最终形成可靠的MFC堆栈工艺方案。设计并制作了两种不同构型的MFC单电池,包括宽式MFC和窄式MFC。在启动后60天进行性能测试,发现宽式MFC的最大功率密度（Pmax）为55.12W/m3,对应的绝对功率约为...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微生物燃料电池工作原理（以氧气为电子受体为例）
浙江大学硕士学位论文第一章绪论61.4.3MFC扩大规模后研究进展良好的MFC实用装置应该包括高的功率输出、运行方便、结构简单、成本低廉等特点，在功率输出性能提升方面主要通过降低内阻的方式实现。由于单个MFC内阻较大，废水处理能力有限，并且随着单电池体积的增大，电池功率密度反而逐渐减小，这种规律决定了MFC的放大应该是将多个相同的单电池以合理方式组合起来，即进行MFC堆栈，包括多个电池间的堆栈技术和单个电池内部的多电极堆栈技术。目前在MFC扩大规模后的研究主要包括以下几个方面：一方面是对不同构型的MFC运行性能的研究；一方面是对MFC电路和水路连接方式的研究；以及实际现场开展的中试研究。采用评价单元电池运行性能、堆栈电池运行性能、电池能量回收情况以及系统经济效益等方式，来判断MFC扩大规模后运行效果好坏，确定较好的扩大化技术。1.4.3.1反应器构型微生物燃料电池的基本构型包括“H”构型、水平分层构型、管式构型和平板式构型，但不同构型的扩大化潜力有所差异。经过设计与实验研究，目前较为认可的具备扩大化条件的构型主要是管式和平板式构型。进行构型设计实现扩大化后的研究较多，验证并改善了不同构型扩大化的性能。圆管式微生物燃料电池（Tubularmicrobialfuelcell,T-MFC），该管式构型在构建MFC污水处理系统时优势较为明显，一般情况下电池框架材料为尼龙圆管或PVC，圆管内外分别布置阴阳极（图1-2）。T-MFC在构型上的优势主要是材料易得、结构简单、具有较大的阴极比表面积、模块连接方便、运行时均匀性较好，因此适合以堆栈方式构建大型处理系统。图1-2管状反应器结构示意（a，阴极在圆管外部；b，阳极在圆管外部）
浙江大学硕士学位论文第一章绪论7以T-MFC为反应装置进行研究的案例较多。Scott以其设计的T-MFC单体处理农场粪便废水[32]，可获得的最大功率密度为30mW/m2。该单体高为1.8m，容积为2.5L，碳布做阳极材料，与碳布生物阴极配合，分别置于圆管外侧和内侧，分隔材料是多孔尼龙管（图1-3a）。此外，Zhuang等人[25]还构建了碳毡作为阳极布置在管内，热压空气阴极与质子交换膜组件布置在管外的1.5L管状反应器（图1-3b），提升了输出功率。GeZheng等人[33]使用96个相同的管状MFC单元（图1-3c），构建了总体积约200L的系统，系统运行时获得130mW的能量以及79%的COD脱除率。该系统在维持水泵运行之外，还能获得0.006kWh/m3的净产能。为了进一步实现工业应用，前人在规模扩大、运行模式上更加贴近实际，Zhang等人[34]利用容积为2L的T-MFC（图1-3d）处理来自初沉池的污水，水力停留时间在11h时，COD脱除率达到65%-70%，装置运行产能足够支撑MFC运行能耗。图1-3管式构型MFC反应器扩大化举例考虑到实际污水运行状态时，管式构型仍然有不足之处，如单体放大较困难、堆栈时单元底部承压较大等，因此可能需要较高强度的支撑结构作为辅助。对于较大容积的MFC扩大化，平板构型相对管式构型的优势便较为明显。平板结构具备较优越的扩大化潜力（图1-4），主要原因是能通过堆栈实现三维方向上的延
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国城镇污水处理厂建设运行现状及存在问题探析[J]. 李佳琪. 节能. 2019(07)
[2]微生物燃料电池能量收集技术研究进展[J]. 付承彩,马凤英,杨亲正. 仪表技术与传感器. 2018(03)
[3]A2/O-混凝工艺处理养猪场废水[J]. 曾哲伟. 广州化工. 2016(11)
[4]污水处理A2O工艺的原理及发展现状探析[J]. 孙伟毅. 能源与环境. 2015(06)
[5]活性炭空气阴极微生物燃料电池的放大和串并联组合研究[J]. 郭剑,潘彬,叶遥立,成少安. 现代化工. 2013(10)
[6]基于TPS61200的太阳能电能收集充电器设计[J]. 黄沛昱. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2013(04)
[7]海底生物燃料电池作为电源驱动小型电子器件的应用研究[J]. 付玉彬,李建海,赵仲凯,徐谦. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2012(06)
[8]串联微生物燃料电池的电压反转行为[J]. 陈禧,朱能武,李小虎. 环境科学与技术. 2011(08)
[9]悬浮填料AO工艺处理城市污水中试研究[J]. 邓纪鹏,张轶凡,马劲,孙晓莹,李伟. 天津建设科技. 2009(06)
[10]单室型微生物燃料电池处理黄姜废水的性能研究[J]. 王超,薛安,赵华章,张宝刚,倪晋仁. 环境科学. 2009(10)
博士论文
[1]微生物燃料电池扩大化及实用化关键技术的研究[D]. 丁为俊.浙江大学 2017
硕士论文
[1]微生物燃料电池电能采集系统的研究[D]. 黄荣海.华侨大学 2014
本文编号：3212133
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微生物燃料电池工作原理（以氧气为电子受体为例）
浙江大学硕士学位论文第一章绪论61.4.3MFC扩大规模后研究进展良好的MFC实用装置应该包括高的功率输出、运行方便、结构简单、成本低廉等特点，在功率输出性能提升方面主要通过降低内阻的方式实现。由于单个MFC内阻较大，废水处理能力有限，并且随着单电池体积的增大，电池功率密度反而逐渐减小，这种规律决定了MFC的放大应该是将多个相同的单电池以合理方式组合起来，即进行MFC堆栈，包括多个电池间的堆栈技术和单个电池内部的多电极堆栈技术。目前在MFC扩大规模后的研究主要包括以下几个方面：一方面是对不同构型的MFC运行性能的研究；一方面是对MFC电路和水路连接方式的研究；以及实际现场开展的中试研究。采用评价单元电池运行性能、堆栈电池运行性能、电池能量回收情况以及系统经济效益等方式，来判断MFC扩大规模后运行效果好坏，确定较好的扩大化技术。1.4.3.1反应器构型微生物燃料电池的基本构型包括“H”构型、水平分层构型、管式构型和平板式构型，但不同构型的扩大化潜力有所差异。经过设计与实验研究，目前较为认可的具备扩大化条件的构型主要是管式和平板式构型。进行构型设计实现扩大化后的研究较多，验证并改善了不同构型扩大化的性能。圆管式微生物燃料电池（Tubularmicrobialfuelcell,T-MFC），该管式构型在构建MFC污水处理系统时优势较为明显，一般情况下电池框架材料为尼龙圆管或PVC，圆管内外分别布置阴阳极（图1-2）。T-MFC在构型上的优势主要是材料易得、结构简单、具有较大的阴极比表面积、模块连接方便、运行时均匀性较好，因此适合以堆栈方式构建大型处理系统。图1-2管状反应器结构示意（a，阴极在圆管外部；b，阳极在圆管外部）
浙江大学硕士学位论文第一章绪论7以T-MFC为反应装置进行研究的案例较多。Scott以其设计的T-MFC单体处理农场粪便废水[32]，可获得的最大功率密度为30mW/m2。该单体高为1.8m，容积为2.5L，碳布做阳极材料，与碳布生物阴极配合，分别置于圆管外侧和内侧，分隔材料是多孔尼龙管（图1-3a）。此外，Zhuang等人[25]还构建了碳毡作为阳极布置在管内，热压空气阴极与质子交换膜组件布置在管外的1.5L管状反应器（图1-3b），提升了输出功率。GeZheng等人[33]使用96个相同的管状MFC单元（图1-3c），构建了总体积约200L的系统，系统运行时获得130mW的能量以及79%的COD脱除率。该系统在维持水泵运行之外，还能获得0.006kWh/m3的净产能。为了进一步实现工业应用，前人在规模扩大、运行模式上更加贴近实际，Zhang等人[34]利用容积为2L的T-MFC（图1-3d）处理来自初沉池的污水，水力停留时间在11h时，COD脱除率达到65%-70%，装置运行产能足够支撑MFC运行能耗。图1-3管式构型MFC反应器扩大化举例考虑到实际污水运行状态时，管式构型仍然有不足之处，如单体放大较困难、堆栈时单元底部承压较大等，因此可能需要较高强度的支撑结构作为辅助。对于较大容积的MFC扩大化，平板构型相对管式构型的优势便较为明显。平板结构具备较优越的扩大化潜力（图1-4），主要原因是能通过堆栈实现三维方向上的延
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国城镇污水处理厂建设运行现状及存在问题探析[J]. 李佳琪. 节能. 2019(07)
[2]微生物燃料电池能量收集技术研究进展[J]. 付承彩,马凤英,杨亲正. 仪表技术与传感器. 2018(03)
[3]A2/O-混凝工艺处理养猪场废水[J]. 曾哲伟. 广州化工. 2016(11)
[4]污水处理A2O工艺的原理及发展现状探析[J]. 孙伟毅. 能源与环境. 2015(06)
[5]活性炭空气阴极微生物燃料电池的放大和串并联组合研究[J]. 郭剑,潘彬,叶遥立,成少安. 现代化工. 2013(10)
[6]基于TPS61200的太阳能电能收集充电器设计[J]. 黄沛昱. 重庆邮电大学学报(自然科学版). 2013(04)
[7]海底生物燃料电池作为电源驱动小型电子器件的应用研究[J]. 付玉彬,李建海,赵仲凯,徐谦. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2012(06)
[8]串联微生物燃料电池的电压反转行为[J]. 陈禧,朱能武,李小虎. 环境科学与技术. 2011(08)
[9]悬浮填料AO工艺处理城市污水中试研究[J]. 邓纪鹏,张轶凡,马劲,孙晓莹,李伟. 天津建设科技. 2009(06)
[10]单室型微生物燃料电池处理黄姜废水的性能研究[J]. 王超,薛安,赵华章,张宝刚,倪晋仁. 环境科学. 2009(10)
博士论文
[1]微生物燃料电池扩大化及实用化关键技术的研究[D]. 丁为俊.浙江大学 2017
硕士论文
[1]微生物燃料电池电能采集系统的研究[D]. 黄荣海.华侨大学 2014
本文编号：3212133
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