微生物燃料电池阳极制备及性能研究

发布时间：2017-06-06 06:11

  本文关键词：微生物燃料电池阳极制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)利用微生物作为催化剂将废水中可利用的有机物或无机物直接转化为电能,是一种将产电和污水净化合为一体的新型污水处理技术。通常情况下,MFC由阳极、阴极和质子交换膜组成。目前MFC面临的首要挑战是确保所用材料可得到最大的电能和功率输出。阳极材料直接影响细菌附着量、底物氧化程度和电子转移速度。因此选择具有潜力的阳极材料,进行表面修饰,进而解析阳极材质的表面特性对微生物燃料电池产电性能的影响,必将进一步推动微生物燃料电池的应用。本文从阳极材料改性出发,对石墨棒阳极进行修饰,制备了聚吡咯(PPy)膜阳极、聚吡咯/碳纳米管(PPy/CNT)及聚苯胺/碳纳米管(PANI/CNT)复合阳极,并将其分别应用到厌氧流化床微生物燃料电池(AFBMFC)中,测试电池的产电性能及污水处理能力。主要研究结论如下:(1)用三种不同的电化学方法(恒电流法、恒电压法和循环伏安法)制备聚吡咯膜电极并应用到AFBMFC中。结果表明循环伏安法制备的修饰阳极AFBMFC产电性能最好,最大功率密度和开路电压分别为102.8 mW·m-2和771.2 mV,与恒电流法和恒电压法相比,最大功率密度分别提高了59.37%和10.18%,开路电压分别提高了40.24%和20.50%。利用循环伏安法制备聚吡咯膜,最佳制备条件为:选用H2SO4为质子酸,质子酸浓度为1.0 mol·L-1,吡咯单体浓度为0.2 mol·L-1,聚合圈数为24圈。(2)在聚吡咯中掺杂一定量的碳纳米管可有效的提高阳极的导电性,当掺杂量为5%时,复合电极的导电性最好,未修饰电极、PPy膜阳极和PPy/CNT复合阳极分别应用到AFBMFC中测试电池的产电性能及污水处理能力。未修饰电极、PPy膜电极、PPy/CNT膜阳极的MFC开路电压分别为589.3 mV、751.6 mV和793.3 mV,将极化曲线二次拟合后得到三条曲线的表观内阻分别为1968.96Ω、1457.71Ω和1002.76Ω,最大功率密度分别为37.86 mW·m-2、93.51 mW·m-2和150.54 mW·m-2。(3)采用电化学方法制备PPy/CNT、PANI/CNT复合阳极,将未修饰电极、PANI/CNT、PPy/CNT复合阳极分别应用到AFBMFC中,电池开路电压分别为556.93 mV、824.80 mV和827.39 mV,表观内阻依次为1790.09Ω、1038.05Ω和869.09Ω,最大功率密度依次达到37.76 mW·m-2、177.66 mW·m-2和201.51mW·m-2。
【关键词】：微生物燃料电池 聚吡咯/碳纳米管 厌氧流化床 功率密度 污水处理
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM911.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 前言11-27
• 1.1 能源及水资源现状11-14
• 1.2 微生物燃料电池工作原理14-15
• 1.3 MFC产电性能的影响因素15-18
• 1.3.1 温度15
• 1.3.2 pH值15-16
• 1.3.3 底物16
• 1.3.4 电池内阻16-17
• 1.3.5 阴极17
• 1.3.6 阳极及阳极修饰17-18
• 1.4 碳纳米管18-21
• 1.4.1 碳纳米管的分类18-19
• 1.4.2 碳纳米管的制备方法19-20
• 1.4.3 应用前景20-21
• 1.5 聚吡咯21-24
• 1.5.1 聚吡咯简介21
• 1.5.2 聚吡咯的制备方法21-22
• 1.5.3 聚吡咯的应用22-24
• 1.6 课题研究的目的和意义24-25
• 1.7 本文研究的主要内容及创新点25-27
• 1.7.1 本文研究的主要内容25
• 1.7.2 本文研究的创新点25-27
• 第二章 实验材料与分析测试方法27-39
• 2.1 实验试剂与仪器27-28
• 2.2 实验装置28-29
• 2.3 AFBMFC电极的制备与接种运行29-31
• 2.3.1 阴极的制备29-30
• 2.3.2 微生物接种与运行30-31
• 2.3.3 阳极的制备31
• 2.4 实验测试项目及分析计算方法31-37
• 2.4.1 实验测试项目31-33
• 2.4.2 分析计算方法33-37
• 2.5 小结37-39
• 第三章 PPy膜阳极最佳制备条件39-49
• 3.1 概述39-40
• 3.2 实验部分40-41
• 3.2.1 实验装置及设备仪器40
• 3.2.2 阳极制备40-41
• 3.2.3 电化学性能及产电性能测试41
• 3.3 结果与讨论41-48
• 3.3.1 不同电化学方法制备PPy膜阳极性能的影响41-43
• 3.3.2 聚合圈数43-45
• 3.3.3 吡咯浓度对PPy膜阳极性能的影响45
• 3.3.4 质子酸种类对PPy膜阳极性能的影响45-46
• 3.3.5 硫酸浓度对PPy膜阳极性能的影响46-48
• 3.4 小结48-49
• 第四章 PPy/CNT复合阳极制备条件对MFC产电性能的影响49-59
• 4.1 概述49-50
• 4.2 实验部分50-51
• 4.2.1 实验装置50
• 4.2.2 阳极制备50-51
• 4.3 结果与讨论51-57
• 4.3.1 不同CNT含量修饰复合阳极的特性研究51-52
• 4.3.2 SEM结果分析52-54
• 4.3.3 XRD结果分析54
• 4.3.4 电化学性能分析54-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 PPy/CNT与PANI/CNT复合阳极制备及在厌氧流化床微生物燃料电池的性能研究59-69
• 5.1 概述59
• 5.2 实验部分59-61
• 5.2.1 实验装置59
• 5.2.2 阳极制备59-61
• 5.3 结果与讨论61-68
• 5.3.1 FI-IR分析61-62
• 5.3.2 SEM分析62-63
• 5.3.3 聚合曲线分析63-64
• 5.3.4 交流阻抗图分析64-65
• 5.3.5 MFC的产电性能65-67
• 5.3.6 MFC的运行电压及污水处理效果分析67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论与展望69-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录81-82

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 连静;冯雅丽;李浩然;刘志丹;周良;;直接微生物燃料电池的构建及初步研究[J];过程工程学报;2006年03期

2 关毅;张鑫;;微生物燃料电池[J];化学进展;2007年01期

3 洪义国;郭俊;孙国萍;;产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J];微生物学报;2007年01期

4 丁平;邵海波;刘光洲;段东霞;麻挺;陈嗣俊;王建明;张鉴清;;应用需盐脱硫弧菌的微生物燃料电池发电研究(英文)[J];电化学;2007年02期

5 园丁;;微生物燃料电池:既处理污水又发电[J];污染防治技术;2007年03期

6 刘登;刘均洪;刘海洲;;微生物燃料电池的研究进展[J];化学工业与工程技术;2007年05期

7 张广柱;刘均洪;;微生物燃料电池研究和应用方面的最新进展[J];化学工业与工程技术;2008年04期

8 孙健;胡勇有;;废水处理新理念——微生物燃料电池技术研究进展[J];工业用水与废水;2008年01期

9 王万成;陶冠红;;微生物燃料电池运行条件的优化[J];环境化学;2008年04期

10 ;微生物燃料电池或成汽车节能环保解决方案[J];材料导报;2008年07期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 顾忠泽;吴文果;;微生物燃料电池的研究[A];中国化学会第27届学术年会第05分会场摘要集[C];2010年

2 赵峰;;来自废水的能量-微生物燃料电池[A];2010年海峡两岸环境与能源研讨会摘要集[C];2010年

3 李正龙;刘红;孔令才;韩梅;;可利用空间基地有机废物的微生物燃料电池预研[A];中国空间科学学会第16届空间生命学术研讨会论文摘要集[C];2005年

4 孙健;;废水处理新理念——微生物燃料电池技术研究进展[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集（一）[C];2007年

5 赵峰;;微生物燃料电池的电子传递及电极反应研究[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年

6 付玉彬;;海底微生物燃料电池研究和应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年

7 孔晓英;李连华;李颖;杨改秀;孙永明;;葡萄糖浓度对微生物燃料电池产电性能的影响[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年

8 袁勇;庄莉;周顺桂;;盘管式微生物燃料电池的构建及其应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年

9 喻玉立;袁用波;胡忠;;产电菌的选育及其在微生物燃料电池中的应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年

10 陈禧;王炜;彭香琴;刘宇波;幸毅明;;微生物燃料电池结构与材料研究进展[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集（第八卷）[C];2013年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 ;微生物燃料电池处理污水发电两不误[N];中国环境报;2005年

2 记者 符王润 通讯员 曾晓舵 李洁尉 刘静;微生物燃料电池有很大挖掘空间[N];广东科技报;2010年

3 萧潇;微生物燃料电池：处理污水发电两不误[N];中国煤炭报;2005年

4 记者　毛黎;微生物燃料电池技术又推进一步[N];科技日报;2006年

5 纪振宇;微生物燃料电池为汽车节能环保提供解决方案[N];中国高新技术产业导报;2008年

6 本报记者 赵亚平;虾兵蟹将派上新用场[N];科技日报;2007年

7 张芮;希腊从芝士副产品中回收能源[N];中国石化报;2010年

8 常丽君;高空“超级细菌”可成发电新能源[N];科技日报;2012年

9 编译 杨孝文;微生物机器人吃苍蝇发电[N];北京科技报;2006年

10 记者 陈勇;美科学家开发出微生物燃料电池[N];新华每日电讯;2005年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 黄杰勋;产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究[D];中国科学技术大学;2009年

2 陶琴琴;微生物燃料电池同步脱氮除磷及产电性能研究[D];华南理工大学;2015年

3 徐磊;微生物燃料电池PB/rGO阴极材料及导电膜自清洁性能研究[D];大连理工大学;2015年

4 臧国龙;基于微生物燃料电池的复杂废弃物处置及光电催化制氢[D];中国科学技术大学;2013年

5 许凤玲;海洋生物膜的电活性及其在微生物燃料电池中的应用基础研究[D];中国科学院研究生院（海洋研究所）;2009年

6 张叶臻;新型石墨纸和石墨烯在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2013年

7 刘宜胜;基于三角转子发动机和微生物燃料电池的微小型电源研究[D];浙江大学;2008年

8 曹效鑫;微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D];清华大学;2009年

9 孙敏;微生物燃料电池的功能拓展和机理解析[D];中国科学技术大学;2009年

10 莫光权;功能化碳纳米管材料在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 张鑫;复合微生物燃料电池的研究[D];天津大学;2007年

2 周秀秀;微生物燃料电池阴极催化剂双核酞菁钴的结构及性能优化[D];华南理工大学;2015年

3 黄丽巧;基于微生物燃料电池技术的同步除碳、硝化/反硝化研究[D];华南理工大学;2015年

4 印霞h，

本文编号：425552