微生物燃料电池堆内电池反极机理及产氢反应器耦合系统研究
本文选题:微生物燃料电池电堆 切入点:反极 出处:《重庆大学》2015年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:能源与环境问题是21世纪人类共同面临的两大难题,随着全球经济快速发展的同时水污染问题也越发严重,而传统的污水处理方法需要消耗大量的电能来处理污水。微生物燃料电池技术(MFC)相比于传统的污水处理方法来说,是一种新型的污水处理装置,同时具备污水处理与同步产电两个功能,能够将对水资源以及经济发展造成极大负面影响的有机废水转变为人类所需的电能,在解决环境问题的同时产生一定的经济效益,是一种极有前景的可再生能源。然而,单个MFC的电压较小,其开路电压约为0.8V,工作电压仅为0.5V左右,使得MFC的工程应用之路受阻。本文对小电阻启动条件下的MFC电堆反极问题进行研究,实验研究表明反极现象在MFC电堆中普遍存在。我们又构建了MFCs-MEC的耦合系统,并对MFC电堆性能与MEC产氢性能之间的相互关系进行了研究,最后我们根据单室MFC的p H调节特性,构建了序批式光合产氢反应器与空气阴极单室MFC电堆耦合系统,并对单室MFC电堆与光合产氢反应器的产氢性能的关系进行了研究。本文得出的主要结论如下:1)MFC电堆驱动电池阴极反极产氢研究本文构建了小电阻启动条件下的MFC电堆,并对MFC电堆的性能进行研究,移除发生反极的电池,再对剩余MFC组成的MFC电堆性能进行研究。研究结果表明:小电阻启动条件下的MFC电堆在大电流条件下会出现反极,阳极生物膜内H+离子传输受限是MFC发生反极的原因,剔除反极MFC之后的MFC电堆依然会发生反极。2)MFC电堆与MEC耦合系统研究本文构建了MFC电堆与MEC耦合系统,并对其产氢性能进行研究,再对MFC电堆与MEC耦合系统的产氢性能进行研究。研究结果表面:4MFC-MEC系统的产氢速率、氢气回收利用率以及底物利用率均为最高,分别为23.1 ml/L/D,54.35m L H2/g substrate,0.28 g/L。3)光合产氢-微生物燃料电池电堆耦合系统研究本文构建了序批式光合产氢反应器(PBR)电堆耦合系统,研究结果表面:耦合系统中单室MFC有利于缓解PBR的底物酸化问题,耦合系统中的MFC有利于维持系统较高的p H值,缓解PBR的底物酸化问题。耦合系统中的MFC可以大量降解光合制氢中产生的有机酸,有利于改善系统的底物抑制现象。耦合系统的产氢性能和葡萄糖降解率随MFC个数的增加而增加。PBR-3MFCs系统产氢性能最佳,其单个序批循环的产氢量可达2.8mmol,较PBR系统提高了75.0%。
[Abstract]:In 21th century, the problems of energy and environment are two big problems that mankind faces together. With the rapid development of the global economy, the problem of water pollution is becoming more and more serious. But the traditional sewage treatment method needs to consume a lot of electric energy to treat the sewage. The microbial fuel cell technology MFCis a new type of sewage treatment device compared with the traditional sewage treatment method. At the same time, it has two functions of sewage treatment and synchronous power generation, which can transform organic wastewater, which has a great negative impact on water resources and economic development, into electric energy needed by human beings, which can solve environmental problems and produce certain economic benefits at the same time. However, the voltage of a single MFC is relatively small, its open circuit voltage is about 0.8 V, and the operating voltage is only about 0.5 V. In this paper, the reverse pole problem of MFC stack under the condition of small resistance start-up is studied, and the experimental results show that the reverse pole phenomenon exists widely in MFC stack. The coupling system of MFCs-MEC is also constructed. The relationship between the performance of MFC reactor and the hydrogen production performance of MEC was studied. Finally, according to the pH regulation characteristics of single cell MFC, the coupling system of sequence batch photovoltaic reactor and air cathode single cell MFC reactor was constructed. The relationship between single cell MFC reactor and hydrogen production performance of photosynthetic hydrogen production reactor was studied. The main conclusions of this paper are as follows: 1 / 1 MFC stack driven battery cathode reverse hydrogen production. In this paper, the MFC stack under the condition of small resistance start-up is constructed. The performance of MFC stack is studied by removing the battery with reverse pole, and then the performance of MFC stack composed of residual MFC is studied. The results show that under the condition of small resistance start-up, the MFC stack will appear reverse pole under the condition of high current. The limitation of H ~ + transport in anodic biofilm is the cause of the reverse pole of MFC. The coupling system of MFC stack and MEC is still occurred after the anti-pole MFC is excluded. In this paper, the coupling system of MFC stack and MEC is constructed. The hydrogen production performance of MFC stack and MEC coupling system was studied. The results showed that the hydrogen production rate, hydrogen recovery efficiency and substrate utilization rate of the system were the highest. Coupling system of photo-hydrogen production and microbial fuel cell stack with 54.35m / L H _ 2 / g substrate0.28 g / L ~ (3); in this paper, a PBR coupling system was constructed for sequencing batch photosynthetic hydrogen production reactor (PBR). The results show that the single-compartment MFC is helpful to alleviate the substrate acidification problem of PBR in the coupled system, and the MFC in the coupling system is conducive to maintaining the higher pH value of the system. Alleviating the substrate acidification of PBR. MFC in the coupling system can degrade organic acids produced in photo-hydrogen production in large quantities. The hydrogen production and glucose degradation rate of the coupled system increased with the increase of the number of MFC. The hydrogen production capacity of the PBR-3 MFCs system was the best, and the hydrogen production of the single batch cycle reached 2.8 mmol, which was 75.0% higher than that of the PBR system.
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM911.45
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