聚中性红修饰电极强化微生物燃料电池脱氮产电研究

发布时间：2020-07-15 01:27

【摘要】：面临能源短缺以及环境污染的双重压力,传统能量密集型的废水处理技术已经难以满足二十一世纪可持续发展的要求。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是一种新型的废水处理技术,能够在降解废水中污染物的同时将化学能直接转化为电能,具有能耗较低、工艺简单、清洁高效的优点,因此受到广泛的关注。目前,废水中的氮污染较为严重,已有研究证明MFC能实现废水有效脱氮,但MFC内部微生物与电极间的电子传递效率不高,导致系统产电性能偏低,废水处理效果也受到影响,从而限制了 MFC的实际应用。电极材料对胞外电子传递效率具有决定性的作用,是解决问题的关键,因此,开展电极材料的研究具有重要意义。本论文旨在通过电极材料改性促进电子传递,在确保废水处理效果的基础上,提高反硝化MFC功率密度。主要结果如下:1、制备了聚中性红修饰电极,构建了不同微生物燃料电池,对比了 MFCs之间的性能差异。以碳毡为基体电极,将吩嗪类介体中性红通过电聚合方法合成聚中性红(Poly-neutral red,PNR)负载到碳毡表面,得到修饰电极。构建了三个装置,分别为聚中性红修饰阳极微生物燃料电池(MFC with PNR modified anode,APNR-MFC),聚中性红修饰阴极微生物燃料电池(MFC with PNR modified cathode,CPNR-MFC)以及以碳毡作阴极和阳极的对照组电池(Control MFC,C-MFC)。试验表明,CPNR-MFC具有最强的脱氮和产电性能,其次为APNR-MFC。CPNR-MFC和APNR-MFC启动速度快,平均最大输出电压分别达486 mV和476 mV。在不同进水硝氮浓度测试下,实验组MFCs对硝氮的去除率均达到98%以上,CPNR-MFC具有0.040kg N/(m3·d)的最大硝氮去除速率和15.29 W/m3的最大功率密度,较对照组分别提高14.29%和82.51%,而APNR-MFC仅分别提高5.71%和31.93%。实验结果证实聚中性红修饰阴极对电池性能提升具有更显著的作用。2、对比了 MFCs电化学特性和微生物群落特征,探究了聚中性红修饰电极对MFCs性能影响的机理。对MFCs用极化曲线法、电化学阻抗法进行分析,结果显示,相比对照组,APNR-MFC和CPNR-MFC的电荷转移内阻显著降低,全电池总电阻分别降至71.00 Ω和54.49 Ω,仅占对照组MFC的65.99%和50.64%;微生物群落分析结果显示,相比对照组,在APNR-MFC和CPNR-MFC中,电活性微生物选择性富集,产电功能菌Geobacter占比上升至31.83%和24.88%,norank f Desulfarculaceae占比上升至10.64%和10.79%,演变成阳极优势菌属,降解基质中的乙酸盐并释放电子。阴极富集的功能菌群多为异养反硝化菌,而自养反硝化功能菌Thiobacillus和Afipia只在CPNR-MFC富集,已知的自养反硝化细菌在CPNR-MFC中的总占比达20%以上,远高于其余两组MFCs。测试结果揭示了聚中性红修饰电极能够增加电活性微生物在群落中的占比,降低电荷转移内阻,从而提升反应器的性能,并以此解释了 CPNR-MFC性能更好突出的原因。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.4
【图文】：

双室,工作原理图,阴极室,质子交换膜

主要有双室ＭＦＣｓ及单室ＭＦＣｓ［１（）］。以经典的双室ＭＦＣｓ为例，传统装置是由阳逡逑极室和阴极室共同组成，两个腔室之间由质子交换膜进行阻隔分离。其基本工作逡逑原理如图１－１所示。逡逑１逡逑

示意图,电位,示意图

降低能源效率，因此反应过程中产生的电位损失是影响实际电极电位的决定性因逡逑素［１５］。电位损失主要可以分为欧姆损失、活化损失和浓差损失三个部分，可以通逡逑过极化曲线来分析，如图１－２。逡逑ｆ邋ｃ邋？逦逦逦＿逦＇§邋ｓ逡逑ａ１逡逑ｒｉ邋；＼１逡逑Ｃｕｒｒｅｎｔ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋（ｍＡｙｍ２）逡逑图１－２电位损失示意图［２４］逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ邋ｌｏｓｓｅｓ邋ｄｕｒｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｉｎ邋ａ邋ＭＦＣ逡逑欧姆损失主要是由电极、溶液－电极界面和电解质－膜界面的电阻引起的［２５］。逡逑控制欧姆损失有助于得到更高的功率密度，可以操作的方法有：使用合适的电极逡逑材料或微生物作为催化剂，增大电极比表面积，缩短阴极和阳极的距离，选用合逡逑适的膜，增加电解质的电导率等［２６］。逡逑活化损失是由反应动力学的限制所引起，主要用于ＭＦＣ电极表面产生电化逡逑学反应所需要的活化能以及胞外电子传递。降低活化损失可以通过：（１）提供合逡逑适的反应条件，加快反应速率，如调节合适的ｐＨ和温度，增大底物浓度，增大逡逑电极表面积；（２）选用高效的生物催化剂降低反应活化能；（３）对电极材料进行逡逑修饰或功能性强化，使其能够富集高效产电菌或其他电活性微生物，提高胞外电逡逑子传递效率。逡逑浓差损失，也叫传质损失或扩散损失，与电极附近的底物以及反应产物的浓逡逑度梯度有关［２７］。其产生的主要原因是反应相关物

示意图,电子传递,机制,示意图

．１直接电子传递逡逑直接电子传递通过细胞膜上结合的电子传递蛋白（细胞色素）或纳米导线通过细菌细胞与阳极的物理接触而不依靠任何氧化还原物质或介体［３５＿３７］。明，一些电化学活性细菌如ＧｅｏＺｗｃ／ｅｒ，邋ｉ？／ｗ＜ｉｏ／ｍ７ｘ和５７？ｅｗａ？ｅ／／＜３已经显示逡逑效的ＤＥＴ机制［２１，３６，３８４１］。这些微生物具有膜结合的电子传递蛋白，需要附极上（以生物膜的形式）将电子从细胞内通过电子传递蛋白通道转移到膜电子受体／阳极上［３６］，但是，这种ＤＥＴ方法需要细菌细胞、细胞色素和电直接的物理接触。因此，只有贴近电极表面的第一层生物膜中的细菌具有活性。ＤＥＴ的另一个方式是通过在细菌细胞表面上形成的纳米导线与电极供电子传递通道『４邋Ｗ。Ｇｅｏｈｃ／ｅｒ和ＳＡｅｖｒａ？ｅ／／ａ被证实能够产生纳米导线’１细菌与电极之间可以通过纳米导线相连，细菌之间也能，这就有助于形成定厚度的电活性生物膜，从而提高阳极性能［４５］。逡逑．２介导电子传递逡逑

【参考文献】