石墨烯氧化物气凝胶修饰三维阳极用于微生物燃料电池产电性能的研究
本文关键词：石墨烯氧化物气凝胶修饰三维阳极用于微生物燃料电池产电性能的研究
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【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cell,简称MFC)技术能够将废水中的化学能直接转化成电能,这一技术为目前水处理领域所倡导的“由高能耗向低能耗乃至零能耗”的发展目标提供了可能性,但目前MFC产电性能低阻碍了其作为一种新型废水处理工艺装置的发展。其中,阳极作为MFC的核心组成部分,其电子传递速率的大小以及其在长期运行过程中的稳定性是决定MFC能否用于实际废水处理的关键。因此,本文从提高阳极性能和电池产电性能出发,选择石墨烯氧化物(Graphene oxide,GO)作为额修饰材料,三维电极材料为阳极基材(如石墨刷GFB、不锈钢刷SSB、泡沫镍Ni-foam),通过一步冷冻干燥法将二者复合制得具有高比表面积和导电性、良好生物相容性和稳定性的3D石墨烯氧化物气凝胶(3D GOA)阳极材料,显著提高了MFC的产电性能,并且将其应用于实际米粉废水能量回收,通过控制不同运行模式验证了该修饰阳极能够明显提高能量回收。首先,通过控制单变量因素探究了GOA修饰浓度和不同3D电极基材对MFC产电性能的影响。结果显示,GOA浓度越高,对应MFC的产电性能越强,其中最大浓度5mg/mL GOA修饰GFB阳极MFC对应的功率密度最高,为1204.5 mW/m2;不同阳极基材修饰GOA阳极影响MFC产电性能,与两种金属阳极(SSB和Ni-foam)相比,GFB凭借其巨大的比表面积、良好的生物相容性以及不会发生腐蚀作用成为GOA修饰的最佳阳极基材,GOA-GFB-MFC在两个月的运行时间中获得最高的功率密度(714 mW/m2)分别为GOA-SSB和GOA-Ni-foam阳极MFCs的1.5倍和6倍;值得一提的是,GOA修饰阳极在运行过程中会被Shewanella oneidensis MR-1菌原位还原为MRGOA,提高了GOA修饰阳极的电子传递速率,从而使得MFC的性能得以提升。目前,通过修饰阳极材料或选择性能优良的3D阳极来提升MFC产电性能的研究众多,却很少有人关注阳极基材在长期运行中的变化以及MFC在这一过程中性能的变化,然而,MFC的长期运行稳定性是其能否真正应用于实际的关键因素。因此,本文第二部分通过研究3D GOA-GFB阳极MFC在18个月中的性能变化来探究3D GOA修饰对MFC长期运行稳定性的影响。18个月运行结果表明,GOA-GFB是一种能够保持长期高效稳定的电容性阳极材料,其在18个月过程中,电池的最大功率密度持续上升,从15.2±2.8 W/m~3(2个月)增加到38.3±3.8 W/m~3(9个月),最后达到53.8±6.0 W/m~3(18个月)。最后,基于前期研究发现3D GOA-GFB阳极具有优良的电容性能,故而本文第三部分将电容性GOA-GFB阳极作为内置生物电容器通过两种不同的运行方式(间歇运行模式和稳态运行模式)用于回收实际米粉废水中的能量。两种运行模式比较发现,MFC能量回收值(kW h/kg COD)与间歇态充放电时间、循环次数以及COD降解率等因素有关,在本实验体系下,间歇运行模式中0.5 h充电+0.5 h放电的充放电模式得到的能量值最高,为1.25 kW h/kg COD(NER_(IM)),高于对应稳态时期的0.42 kW h/kg COD(NER_(IM))。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45
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，本文编号：1261394
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