湿地型微生物燃料电池修饰阴极特性研究
发布时间：2021-08-17 14:39
随着能源危机的加剧,人们不得不寻找新的清洁能源,此时,CW-MFC应运而生。CW-MFC在微生物的催化下,将污水中有机物中的化学能转化为电能,兼顾污水处理和生物发电的双重功效。近年来人们对其进行了大量的研究,尤其是生物阳极的研究,但是阴极的研究很少,尤其是生物阴极的研究更少,在CW-MFC中,阴极是极其重要的一部分,电子、质子以及电子受体在阴极完成还原反应,阴极反应差,电化学反应缓慢,导致系统的电性能与净水性能差。所以,本文对修饰阴极进行深入研究。本文分别采用强化曝气阴极、微生物修饰阴极、化学修饰阴极对阴极的性能进行实验研究和数值模拟,探讨提高阴极性能的最佳方案。本文构建四个实验柱,无修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱一,主要起对照作用;曝气修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱二;三价铁修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱三;反硝化细菌修饰阴极搭建的CW-MFC作为实验柱四。通过对比实验研究其产电性能与净水性能的差别,以获得最佳性能的修饰阴极。通过实验研究我们得到了一下有价值的结论:（1）在电性能方面:曝气修饰阴极CW-MFC的性能最好,达到稳定所用的时间最短,且产生的最大电压达到4...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CW-MFC工作原理图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-图1-2自养反硝化过程中的生物化学步骤(1负责基因，E0’氧化还原电位，a膜结合蛋白，b周质蛋白反硝化细菌修饰阴极有以下优点：（1）反硝化细菌内的酶作为催化剂，取代传统的金属催化剂，极大的降低了CW-MFC的成本；（2）克服了因金属催化剂带来的污染的问题，使提高了CW-MFC运行的稳定性；（3）可利硝化及反硝化细菌协同作用强化降解水中NH-N，提高了CW-MFC对NH-N出去率效率。Homels等[23]人发现MFC阴极上沉积的微生物参与了反应，比如氨盐的氧化以及硝酸盐的还原，向人们展示了阴极中发生了氮的循环。Park等[24]人发现在微生物的作用下阴极中的NO-N会接受电子而被还原为N，NO-N的去除率达到98%。由此开始了对硝酸盐作为MFC电子受体的研究。Virdis等[25]人构建了双室MFC，将阳极出水导出至好氧反应器中进行硝化，然后在将出水引入阴极室发生反硝化，该装置实现了连续的脱氮(图1-3)。该装置的有机物出去速率打到了2kgCOD/md，NO-N的去除速率为0.41kgNO-N/(md)，最大电流密度为133.3Am。Virdis等[26]人进一步进行研究，先在阴极中进行曝气，将污水中的NH-N氧化成NO-N，然后再引入阴极，NO-N在阴极接受电子被还原成N，实现了硝化与反硝化的同步，出水的NO-N为1.0mg/L，NH-N的浓度别2.13mg/L，总氮的去除率为94.1％，最大输出功率为6.1W/m。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-图1-3生物阴极硝酸盐还原的示意图林等[27]人从缺氧池的活性污泥中进行筛选，选出具有反硝化性能强的反硝化菌群，利于此菌群修饰的阴极构建MFC，处理焦化废水（图1-4），对其进行研究。林等人将阴极放进反硝化菌群中进行吸附，直至饱和，然后放入30℃恒温箱中进行静置培养，由此得到反硝化细菌修饰阴极。当反硝化细菌修饰阴极MFC运行稳定后，对系统的产电性能进行检测，系统的输出电压为495mV，功率密度最高达29.23mV/m2，COD去除率达到70%。除此之外，对废水中的其他污染物，如吲哚、吡啶、苯酚、喹啉等，均有较好的去除，苯酚的去除率为61%，吡啶、喹啉和吲哚的去除达到了30%。图1-4反硝化菌生物修饰阴极MFC系统图林等人通过该实验得到：（1）48h的水利停留时间优于24h。当水利停留时间为48h时，NO-N的去除率可以达到80%，明显高于24h的水利停留时间;（2）组合优势菌反硝化能力比单株优势菌好。由于废水的成分比较复杂，而且有毒、有害以及难降解的物质多，混合的菌组来进行生物降解，以弥补单株菌株抗逆性差的缺点，在48h的水利停留时间下组合组合优反硝化细菌对硝酸盐氮去除率可达99%。Abdullah[28]等人发明了一种自养反硝化微生物催化阴极反应装置（图1-5）。该装置由三个由丙烯酸材料制成的腔体组成，腔室内部由质子交换膜(PEM)分隔，每个室都
【参考文献】：
期刊论文
[1]反硝化菌生物阴极微生物燃料电池对模拟焦化废水的处理[J]. 胡正,林山杉,李天宇,高远. 西北师范大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能[J]. 王琳,李雪,王丽. 环境科学研究. 2017(07)
[3]铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物制备及其催化氧还原的效果[J]. 杨婷婷,朱能武,芦昱,吴平霄. 环境科学. 2016(01)
[4]微生物燃料电池技术的实际应用研究进展[J]. 付进南,王晓慧,海热提,向龙,刘睿,李媛. 水处理技术. 2015(04)
[5]利用双室微生物燃料电池处理模拟废水的产电特性研究[J]. 张永娟,李永峰,刘春研,王艺璇,李龙,王耔人,董义兴. 环境科学. 2012(07)
[6]生物质燃料电池的研究进展[J]. 吴祖林,刘静. 电源技术. 2005(05)
硕士论文
[1]流化床微生物燃料电池模拟研究[D]. 尚均顶.青岛科技大学 2018
本文编号：3347955
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
CW-MFC工作原理图
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-图1-2自养反硝化过程中的生物化学步骤(1负责基因，E0’氧化还原电位，a膜结合蛋白，b周质蛋白反硝化细菌修饰阴极有以下优点：（1）反硝化细菌内的酶作为催化剂，取代传统的金属催化剂，极大的降低了CW-MFC的成本；（2）克服了因金属催化剂带来的污染的问题，使提高了CW-MFC运行的稳定性；（3）可利硝化及反硝化细菌协同作用强化降解水中NH-N，提高了CW-MFC对NH-N出去率效率。Homels等[23]人发现MFC阴极上沉积的微生物参与了反应，比如氨盐的氧化以及硝酸盐的还原，向人们展示了阴极中发生了氮的循环。Park等[24]人发现在微生物的作用下阴极中的NO-N会接受电子而被还原为N，NO-N的去除率达到98%。由此开始了对硝酸盐作为MFC电子受体的研究。Virdis等[25]人构建了双室MFC，将阳极出水导出至好氧反应器中进行硝化，然后在将出水引入阴极室发生反硝化，该装置实现了连续的脱氮(图1-3)。该装置的有机物出去速率打到了2kgCOD/md，NO-N的去除速率为0.41kgNO-N/(md)，最大电流密度为133.3Am。Virdis等[26]人进一步进行研究，先在阴极中进行曝气，将污水中的NH-N氧化成NO-N，然后再引入阴极，NO-N在阴极接受电子被还原成N，实现了硝化与反硝化的同步，出水的NO-N为1.0mg/L，NH-N的浓度别2.13mg/L，总氮的去除率为94.1％，最大输出功率为6.1W/m。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-7-图1-3生物阴极硝酸盐还原的示意图林等[27]人从缺氧池的活性污泥中进行筛选，选出具有反硝化性能强的反硝化菌群，利于此菌群修饰的阴极构建MFC，处理焦化废水（图1-4），对其进行研究。林等人将阴极放进反硝化菌群中进行吸附，直至饱和，然后放入30℃恒温箱中进行静置培养，由此得到反硝化细菌修饰阴极。当反硝化细菌修饰阴极MFC运行稳定后，对系统的产电性能进行检测，系统的输出电压为495mV，功率密度最高达29.23mV/m2，COD去除率达到70%。除此之外，对废水中的其他污染物，如吲哚、吡啶、苯酚、喹啉等，均有较好的去除，苯酚的去除率为61%，吡啶、喹啉和吲哚的去除达到了30%。图1-4反硝化菌生物修饰阴极MFC系统图林等人通过该实验得到：（1）48h的水利停留时间优于24h。当水利停留时间为48h时，NO-N的去除率可以达到80%，明显高于24h的水利停留时间;（2）组合优势菌反硝化能力比单株优势菌好。由于废水的成分比较复杂，而且有毒、有害以及难降解的物质多，混合的菌组来进行生物降解，以弥补单株菌株抗逆性差的缺点，在48h的水利停留时间下组合组合优反硝化细菌对硝酸盐氮去除率可达99%。Abdullah[28]等人发明了一种自养反硝化微生物催化阴极反应装置（图1-5）。该装置由三个由丙烯酸材料制成的腔体组成，腔室内部由质子交换膜(PEM)分隔，每个室都
【参考文献】：
期刊论文
[1]反硝化菌生物阴极微生物燃料电池对模拟焦化废水的处理[J]. 胡正,林山杉,李天宇,高远. 西北师范大学学报(自然科学版). 2018(06)
[2]复合生物阴极型微生物燃料电池处理废水及同步产电性能[J]. 王琳,李雪,王丽. 环境科学研究. 2017(07)
[3]铁氮掺杂碳纳米管/纤维复合物制备及其催化氧还原的效果[J]. 杨婷婷,朱能武,芦昱,吴平霄. 环境科学. 2016(01)
[4]微生物燃料电池技术的实际应用研究进展[J]. 付进南,王晓慧,海热提,向龙,刘睿,李媛. 水处理技术. 2015(04)
[5]利用双室微生物燃料电池处理模拟废水的产电特性研究[J]. 张永娟,李永峰,刘春研,王艺璇,李龙,王耔人,董义兴. 环境科学. 2012(07)
[6]生物质燃料电池的研究进展[J]. 吴祖林,刘静. 电源技术. 2005(05)
硕士论文
[1]流化床微生物燃料电池模拟研究[D]. 尚均顶.青岛科技大学 2018
本文编号：3347955
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