微生物燃料电池水动力学与生物电化学模型的研究

发布时间：2017-09-20 04:37

  本文关键词：微生物燃料电池水动力学与生物电化学模型的研究

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【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cells:MFCs)是一种利用微生物氧化有机物或无机物并同时产生电能的装置,近年来已成为污水处理领域研究的热点。目前MFC的研究工作主要集中在寻找高电活性的微生物、合适的电子受体、良好的电极材料及其修饰方法以及探索反应器构型等方面。尽管水动力学是影响MFC内部传质和反应的重要因素,但关于MFC水动力学的研究少之又少。MFC的运行包含传质、生化、物化和电化学等过程,机理十分复杂,通过数学建模的方法有助于深入理解MFC的运行机制,然而,目前关于MFC模型的报道相对较少,尤其是针对无中介体添加的MFC系统。本文在前人研究的基础上,探索了水动力学对电膜生物反应器(一种新型的MFC)性能的影响并构建了一维多种群无介体双室MFC的生物电化学模型,具体研究内容和结果如下： 1.采用锂离子在四个不同的水力停留时间(HRT)下对电膜生物反应器(EMBR)进行示踪实验,利用多釜串联(TIS)模型、轴向扩散(AD)模型和Martin模型分析示踪实验的结果,得到EMBR的死体积和短流等重要信息,并阐述了死体积随HRT的变化情况。和TIS及AD相比,Martin模型可以更好的描述反应器的流动状态且能够准确预测反应器的死体积,其模拟结果表明EMBR内部存在三个不同的流动区域。采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)方法分析了EMBR的内部流场,发现EMBR流态在反应器运行40s之后即可达到稳定。通过可视化云图得到死区在EMBR内部的分布情况,发现死区主要位于反应器的底部以及顶部外侧。此外,速度矢量场模拟结果说明了反应器内部存在短流的必然性。研究结果同时发现EMBR的电流密度与DO浓度和死体积的乘积呈正相关,而HRT是影响EMBR死体积大小及阴极平均DO浓度的直接因素,因此确定合适的水力条件对提高EMBR产电性能至关重要。 2.构建了基于生物膜的一维多种群无介体双室MFC模型,模型围绕阳极展开,主要包含生化反应、电化学反应、传质过程以及酸碱平衡及气液转换等内容。利用所建立的模型考察了底物的进料浓度、进料流量、初始生物浓度以及产电菌的初始比例等四个重要因素对MFC的电流密度、库伦效率和甲烷产量的影响。模拟结果发现当底物浓度和进料流量较低时,阳极产甲烷菌相比产电菌更活跃,MFC产能较低。增加底物的进料浓度和流量可以提高MFC的电流密度和库伦效率。此外,阳极生物膜上的初始微生物浓度会改变膜内的传质速率进而对MFC的产电造成影响。
【关键词】：微生物燃料电池 电膜生物反应器 水力特性 生物电化学模型
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-12
• 第1章 文献综述12-25
• 1.1 能源危机及水资源问题12-13
• 1.1.1 能源危机12-13
• 1.1.2 水资源问题13
• 1.2 微生物燃料电池13-17
• 1.2.1 微生物燃料电池的发展历程13-14
• 1.2.2 微生物燃料电池的工作原理14-15
• 1.2.3 MFC阳极胞外电子传递机制15-17
• 1.2.4 微生物燃料电池的研究进展17
• 1.3 生化反应器的水动力学17-21
• 1.3.1 水动力学对生化反应器性能的影响18
• 1.3.2 水动力学的研究手段18
• 1.3.3 生物反应器水动力学的研究进展18-21
• 1.4 MFC生物电化学模型的研究21-23
• 1.4.1 建立MFC生物电化学模型的意义21
• 1.4.2 MFC模型的研究进展21-23
• 1.5 本文的研究内容、目的和意义23-25
• 第2章 电膜生物反应器(EMBR)的水动力学研究25-44
• 2.1 引言25
• 2.2 材料与方法25-27
• 2.2.1 EMBR的组装与运行25-26
• 2.2.2 示踪实验及测试方法26-27
• 2.3 几种非理想流动模型的建立与应用27-31
• 2.3.1 停留时间分布的相关定义27-28
• 2.3.2 非理想流动模型的建立28-31
• 2.4 EMBR的计算流体动力学模拟31-34
• 2.4.1 计算区域与网格划分31-32
• 2.4.2 边界条件和参数设置32-34
• 2.5 EMBR阴极溶解氧浓度分布模型34-36
• 2.6 结果与讨论36-43
• 2.6.1 示踪试验36
• 2.6.2 三种非理想流动模型的模拟结果36-40
• 2.6.3 EMBR流态的可视化分析40-41
• 2.6.4 水力特性对EMBR性能的影响41-43
• 2.7 小结43-44
• 第3章 无介体MFC的生物电化学模型44-56
• 3.1 引言44
• 3.2 模型的建立44-51
• 3.2.1 生化过程45
• 3.2.2 电化学过程45-46
• 3.2.3 生物膜内部的传质过程46-48
• 3.2.4 电势模型48-49
• 3.2.5 酸碱平衡及气液转换及过程49-51
• 3.3 结果与讨论51-55
• 3.3.1 阳极生物膜的生长51
• 3.3.2 不同因素对电流密度的影响51-53
• 3.3.3 不同因素对库伦效率的影响53-54
• 3.3.4 不同因素对甲烷产量的影响54-55
• 3.4 小结55-56
• 第4章 总结56-58
• 参考文献58-70
• 致谢70-72
• 在读期间发表的学术论文和学术成果72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 ;Hydrodynamic characteristics of a four-compartment periodic anaerobic baffled reactor[J];Journal of Environmental Sciences;2007年10期

2 Yuttachai Sarathai;Thammarat Koottatep;Antoine Morel;;Hydraulic characteristics of an anaerobic baffled reactor as onsite wastewater treatment system[J];Journal of Environmental Sciences;2010年09期

3 王睿;;2013年世界能源供需浅析——《BP世界能源统计2014》解读[J];当代石油石化;2014年09期

4 王瑗;盛连喜;李科;孙弘颜;;中国水资源现状分析与可持续发展对策研究[J];水资源与水工程学报;2008年03期

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本文编号：885976