解析泡沫碳及不锈钢毡结构对微生物膜产电性能的影响

发布时间：2017-06-27 07:15

  本文关键词：解析泡沫碳及不锈钢毡结构对微生物膜产电性能的影响，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文从多孔结构与多孔介质流体力学角度研究了网状玻璃碳(Reticulated vitreous carbon,RVC)和不锈钢纤维毡(Stainless steel felt,SSF)的结构及其与表面附着电化学活性微生物膜(Electrochemically active biofilm,EAB)产电性能间的关系。(1)本文通过构建结构单元分析了RVC与SSF的结构。结果表明:RVC材料的泡沫结构与自然泡沫结构相似,由十二或十四面体组合的泡沫单元构成,碳化的柏拉图通道为EAB的附着生长及电子传递提供了规律交联的网络平台和通透的路径。SSF材料的孔隙结构与RVC相比较不规律,孔径波动范围大,纤维丝表面较粗糙。其结构单元可简化为不锈钢纤维丝的三角形结构,这种三角形的不锈钢丝的重复搭叠为EAB的附着提供了较大的表面积。(2)通过构建以不同RVC及SSF材料为工作电极的三电极体系,以平板碳(Polycrystalline graphite,PG)电极为对照,研究了三维(3-Dimensional,3-D)多孔材料结构表面EAB的产电性能。在所选用的材料中,RVC和SSF能有效改善其表面附着EAB的产电性能。其中,在100 PPI(Pores per inch)RVC(33.63 A m-2)与BZ100D(孔径100μm)SSF(19.79 A m-2)表面附着EAB产生的几何面积电流密度最高,分别为使用PG(5.11 A m-2)时的6.60倍和3.71倍。(3)结合RVC及不锈钢材料的结构与电化学测试实验结果,利用比表面积及渗透率为三维多孔材料电极的结构参数,进行分析并总结了多孔材料结构与其表面附着EAB产电性能的关系。结果表明:多孔材料的比表面积、渗透率以及搅拌速度均影响EAB微生物附着量与传质速度,这是能否改善其上附着EAB产电性能的关键;而孔隙率与孔径则是决定比表面积与渗透率的RVC基本结构参数。从理论上,渗透率与比表面积对3-D多孔电极上EAB产生电流的影响随孔隙率、孔径的改变而变化,孔隙率越小、孔径越小渗透率对EAB产电性能的影响越大;孔隙率越大、孔径越大比表面积对EAB产电性能的影响越大。所以EAB产电性能的提高可通过优化多孔材料的孔径与孔隙率,同时提高多孔材料内传质速度而实现。本文研究中发现孔径在124.8μm(100PPI-compressed RVC)至600.9μm(80 PPI RVC)范围内的大孔泡沫材料最适宜微生物膜附着及产电性能的提高,且可进行下一步孔径优化。多孔材料孔径较小的100 PPI RVC受搅拌影响最大,其中1000-1400 rpm为100 PPI RVC上EAB产电性能最高的最佳搅拌速率。当结构参数相同时,由于不锈钢毡表面微生物膜生长后期易联结成片造成孔道堵塞,所以具有规律多面体单元的泡沫碳(孔径在124.8-600.9μm)较不锈钢毡更适宜EAB的附着生长及产电性能的提高。(4)应用MATLAB进行数值模拟计算,对Gibson-Ashby模型与渗透率半经验式中实现比表面积的最大化及提高渗透率的条件进行了研究。结果表明实现比表面积的最大化(75%孔隙率,小孔径)与高渗透率的条件(高孔隙率、大孔径)相矛盾,所以选择合适的孔隙率、孔径及渗透率是进行多孔材料结构优化的关键。本文中,100 PPI RVC与BZ100D SSF因同时具有高渗透率及高比表面积,是所研究材料范围内作为电化学活性微生物膜附着载体的最佳结构。
【关键词】：微生物燃料电池 比表面积 渗透率 多孔材料 电化学活性微生物膜(EAB)
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 文献综述11-21
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 微生物燃料电池简介12-19
• 1.2.1 微生物燃料电池原理12-13
• 1.2.2 微生物燃料电池产电性能分析13-14
• 1.2.3 微生物燃料电池阳极研究现状14-19
• 1.3 本文的研究内容19-21
• 第二章 微生物在RVC表面附着生长及产电特点21-30
• 2.1 引言21
• 2.2 实验材料21
• 2.2.1 实验仪器设备21
• 2.2.2 电极材料21
• 2.3 实验方法21-25
• 2.3.1 培养基的配制及菌种的培养21-23
• 2.3.2 电极制备23
• 2.3.3 电化学测试方法23-24
• 2.3.4 其他测试方法24-25
• 2.4 结果与讨论25-28
• 2.4.1 不同RVC结构对微生物产电性能的影响25-27
• 2.4.2 RVC表面微生物膜的形态表征27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第三章 RVC结构解析及其对微生物产电特性的影响30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 实验材料30
• 3.2.1 实验仪器设备30
• 3.2.2 电极材料30
• 3.3 实验方法30-31
• 3.3.1 培养基的配制及菌种的培养30
• 3.3.2 电极制备30
• 3.3.3 电化学测试方法30-31
• 3.3.4 其他方法31
• 3.4 结果与讨论31-42
• 3.4.1 RVC多孔结构特点31-33
• 3.4.2 多孔材料比表面积及渗透率33-37
• 3.4.3 比表面积、渗透率与电流密度的关系37-40
• 3.4.4 多孔材料结构内部传质的优化40-42
• 3.4.5 多孔材料结构解析与微生物膜产电性能的关系42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 不锈钢毡电极结构对EAB产电性能的影响44-50
• 4.1 引言44
• 4.2 实验材料44
• 4.2.1 实验仪器设备44
• 4.2.2 电极材料44
• 4.3 实验方法44-45
• 4.3.1 培养基的配制及菌种的培养44
• 4.3.2 SSF电极制备44
• 4.3.3 电化学测试方法44
• 4.3.4 扫描电子显微镜44-45
• 4.4 结果与讨论45-49
• 4.4.1 SSF结构特征45-47
• 4.4.2 SSF对微生物产电性能的影响47-48
• 4.4.3 SSF结构及表面微生物膜的形态表征48-49
• 4.5 本章小结49-50
• 第五章 结论及展望50-51
• 5.1 结论50
• 5.2 展望50-51
• 参考文献51-57
• 致谢57-58
• 作者简介58

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