微生物燃料电池降解邻苯二甲酸酯及其同步产电性能的基础研究

发布时间：2017-10-06 01:06

  本文关键词：微生物燃料电池降解邻苯二甲酸酯及其同步产电性能的基础研究

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【摘要】：能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础,更是支撑工业和经济稳定发展的必要元素。面对能源供应持续紧缺、能源利用效率偏低、能源价格过高以及环境危机日益凸显的严峻形势,开发新型可再生替代能源越来越重要。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是近年来新兴的一种清洁能源技术,通过微生物的催化作用氧化分解有机底物,同时产生回路电流,将有机底物中的化学能转化为电能,在实现有机物高效降解的同时稳定地向外输出电能。本文尝试以易降解有机物作为共基质,研究MFC对邻苯二甲酸酯类物质(PAEs)的降解,同时获取电能,为环境激素类有毒难降解有机物的高效低耗处理提供一种新的研究思路。质子交换膜是MFC的核心组件,目前使用最广泛的Nafion全氟磺酸膜因制备工艺复杂、生产成本过高,不利于燃料电池的推广应用。本文通过接枝改性制备PVDF-g-SSS质子交换膜,并将其应用于双室微生物燃料电池系统,研究MFC的产电性能和有机质降解效果,探讨PVDF-g-SSS接枝膜作为Nafion替代膜的可能性,具有广阔的工程应用前景。研究结果表明,分别以乙酸钠(NaAc)、乙酸钠+邻苯二甲酸酯(PAEs)的混合物作阳极燃料,MFC的最大输出电压分别为353 mV(2 g/L NaAc),226 mV(2g/L NaAc+10 mg/L PAEs),278 mV(2 g/L NaAc+30 mg/L PAEs),360 mV(2 g/L NaAc+50 mg/L PAEs),相应的最大(面积)功率密度分别为25.47 mW/m2,58.78mW/m2,49.39 mW/m2,40.82 mW/m2(按外电阻1000?和阳极截面积计算)。电池的输出电压曲线均呈现规律的三个阶段:上升阶段、稳定阶段、下降阶段,但不同燃料的产电能力有所不同,NaAc+PAEs作混合燃料的输出功率明显高于NaAc作单一燃料的输出功率,而PAEs浓度为10 mg/L时,MFC获得最大输出功率,这反映了产电微生物对不同浓度、不同燃料的选择性。同时,MFC对PAEs的降解效率以及COD的去除率分别达到70%和89%以上。MFC在闭路条件下运行对有机质的降解效率高于开路条件下的降解效率,这表明微生物燃料电池可能促进了微生物对邻苯二甲酸酯类物质的利用与分解,从而提高了有机质的降解效率。保持运行条件相同,将PVDF-g-SSS接枝膜应用于双室MFC,系统能够稳定运行,分别获得最大输出电压246 mV(2 g/L NaAc+10 mg/L PAEs),259 mV(2g/L NaAc+30 mg/L PAEs),333 m V(2 g/L NaAc+50 mg/L PAEs),相应的最大(面积)功率密度分别为23.28 mW/m2,26.67 mW/m2,33.80mW/m2。MFC对PAEs的降解效率以及COD的去除率可与N-117型Nafion膜达到同一水平。综上所述,MFC可有效处理PAEs同时稳定地向外输出电能,这为邻苯二甲酸酯类有毒难降解污染物的高效低耗处理提供了一种新的途径。PVDF-g-SSS接枝膜成功应用于双室MFC,对推广MFC的工程应用具有重要意义。
【关键词】：微生物燃料电池 邻苯二甲酸酯 极化曲线 去除率 PVDF-g-SSS质子交换膜
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 微生物燃料电池简述12-16
• 1.2.1 微生物燃料电池的简介12-13
• 1.2.2 微生物燃料电池的燃料13-14
• 1.2.3 微生物燃料电池的发展前景14-16
• 1.3 燃料电池质子交换膜的研究16-18
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池16
• 1.3.2 质子交换膜的种类16-18
• 1.3.3 PVDF膜的改性18
• 1.4 邻苯二甲酸酯18-21
• 1.4.1 难降解有机物的性质与处理18-19
• 1.4.2 邻苯二甲酸酯简述19-21
• 1.4.3 水中微量PAEs去除的研究现状21
• 1.5 课题的研究内容，目的和意义21-23
• 1.5.1 课题的研究内容21-22
• 1.5.2 课题的研究目的和意义22-23
• 第2章 实验及分析方法23-32
• 2.1 实验装置及反应原理23-24
• 2.2 实验药品与仪器24-26
• 2.2.1 实验药品与试剂24-26
• 2.2.2 实验仪器26
• 2.3 产电性能的测定方法26-28
• 2.3.1 输出电压和电流、电流密度27
• 2.3.2 功率密度27-28
• 2.3.3 产电性能的表征28
• 2.4 去除效率的分析方法28-32
• 2.4.1 COD的测定28-29
• 2.4.2 邻苯二甲酸酯的测定29-32
• 第3章 双室MFC的构建、启动与运行32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 以厌氧污泥为燃料启动MFC32-34
• 3.2.1 接种污泥32
• 3.2.2 污泥驯化32-33
• 3.2.3 MFC的启动33-34
• 3.3 以乙酸钠为单一燃料运行MFC34-36
• 3.3.1 乙酸钠作MFC燃料的基本原理34-35
• 3.3.2 以乙酸钠作单一燃料运行MFC35-36
• 3.4 乙酸钠+邻苯二甲酸酯为混合燃料36-38
• 3.5 不同阳极底物的输出电压38-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第4章 MFC降解邻苯二甲酸酯及其同步产电特性40-49
• 4.1 引言40
• 4.2 MFC产电性能表征40-45
• 4.2.1 极化曲线和功率密度41-43
• 4.2.2 电池内阻43-45
• 4.3 MFC的降解效果45-47
• 4.3.1 COD去除率45-46
• 4.3.2 邻苯二甲酸酯的降解效率46-47
• 4.3.3 MFC闭合回路和开路状态下降解效果的比较47
• 4.4 本章小结47-49
• 第5章 PVDF-g-SSS接枝膜与Nafion膜的对比49-56
• 5.1 引言49
• 5.2 接枝PVDF-g-SSS质子交换膜49-50
• 5.2.1 PVDF膜的接枝改性49-50
• 5.2.2 PVDF-g-SSS质子交换膜的制备50
• 5.3 PVDF-g-SSS接枝膜的应用50-55
• 5.3.1 输出电压50-52
• 5.3.2 极化曲线与功率密度52-54
• 5.3.3 邻苯二甲酸酯和COD的降解效果54-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第6章 结论与展望56-58
• 6.1 结论56
• 6.2 展望56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-67
• 附录 硕士研究生学习阶段发表论文67

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本文编号：979839