MFC串并联提高产电效率及加速处理重金属废水相关性能研究

发布时间：2017-07-31 03:03

  本文关键词：MFC串并联提高产电效率及加速处理重金属废水相关性能研究

  更多相关文章： 微生物燃料电池 串并联 产电效率 重金属废水处理 处理速率

【摘要】：当前我国的环境污染问题十分突出,同时伴随着环境污染而生的能源短缺也同样不容小觑。如果能从污染物中回收资源,或在解决污染的同时产生能源,这将能同时缓解我国的环境污染和能源短缺两大问题。微生物燃料电池(microbial fuel cells,MFC)是一个能将污染转化为能源的先进技术,如果将污染物作为阴极电子受体(如重金属),便可实现两种污染物质同时去除并产生电能,因此可以利用MFC技术处理重金属废水。本文针对改进MFC启动时间长,或因产电不够稳定、处理重金属速率低下等问题,采用串并联的研究手段,研究了串并联的运行模式下MFC的产电性能以及对重金属的去除效率。实验结果如下：(1)通过间歇并联的连接模式成功加速MFC的启动速率。从开始启动时对照组要经过10天后才会产生较低的电压(100 mV以下),但间歇并连运行的MFC,在并联阶段的最大电压可达到467 mV,在解除并联后的第三天电压开始呈现出上升趋势,基本间歇并连15天后实验组的MFC电压趋于稳定,在15天时,不再实施间歇并连,电压仍然能够达到持续稳定在170±3 mV,在本研究中所使用的双室MFC(阴极电子受体不同)使用间歇并联的模式可以将启动时间缩短5-7天左右。(2)通过对同种浓度和pH下的三种化学阴极进行比较筛选(KMnO4、 K3[Fe(CN)6]、K2Cr2O7),KMnO4以其较低的生物毒性和较高的产电效率,成为串联阶段电源补给MFC的阴极电子受体。并进一步对KMnO4阴极运行条件进行优化,pH为3时KMnO4-MFC电压随着KMnO4浓度的增大(浓度依次为0.5,1.0,2.0 g/L)而增加。(3)通过KMnO4-MFC与Cu-MFC串联,前者产生的较高电压为后者提供电压和功率补给,加速处理含铜废水过程并获得额外电能。二者串联能够明显加快Cu-MFC对Cu2+的回收速率,串联时Cu2+的回收率可达98%,24 h回收率可达91.7%,与单独Cu-MFC相比速率提高一倍。二者串联后,在加速铜回收过程的同时还能获得额外的电能,其最高输出功率可达143 mW；(4)通过使用间歇式无功率输出并联模式,加速重金属污水在MFC阴极的去除。阳极在序批式培养模式下,可弥补因电压动力不足造成的重金属去除效率低下的问题,通过间歇并联后的MFC重金属20 h内去除率提高了1.75倍。经过间歇并联后的MFC,恢复串联10 h后的重金属平均去除率便可达到67%,串联时间达到20 h时,Cu2+、Zn2+、Cd2+三种重金属离子的去除效率分别达到91.5%,86.7%,和83.57%,未经并联模式的对照组MFC运行20 h处理效率仅达到52.1%。运行70 h后,重金属平均去除率可达98%及以上。EIS扫描结果显示,与单独的MFC相比,在并联条件下的阳极具有更低的液界电阻,且随着并联时间的增加,阳极的生物电容也随之增加。
【关键词】：微生物燃料电池 串并联 产电效率 重金属废水处理 处理速率
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X703;TM911.45
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.1.1 研究背景15-16
• 1.1.2 研究意义16-17
• 1.2 MFC原理17-24
• 1.2.1 MFC结构与材料18-20
• 1.2.2 MFC热力学可行性分析20-21
• 1.2.3 MFC标准电极电位21
• 1.2.4 MFC的影响因素及原因21-23
• 1.2.5 MFC测量评价方法23
• 1.2.6 MFC电子传递方式23-24
• 1.3 MFC发展过程及研究现状24-26
• 1.4 MFC技术处理重金属废水已有研究及不足26-27
• 1.5 本课题来源及研究内容27-31
• 1.5.1 课题来源27
• 1.5.2 主要研究内容27-28
• 1.5.3 技术路线28-31
• 第二章 实验材料、评价方法与实验设计31-39
• 2.1 实验所需材料与反应器的组装及测试31-33
• 2.1.1 实验所需材料和仪器31
• 2.1.2 实验装置的组装31-32
• 2.1.3 实验装置的测试32-33
• 2.2 MFC性能评价及计算方法33-37
• 2.2.1 库伦效率33-34
• 2.2.2 功率密度34
• 2.2.3 极化曲线34-35
• 2.2.4 功率曲线35
• 2.2.5 电化学交流阻抗(EIS)35-36
• 2.2.6 重金属去除率36
• 2.2.7 电极表面电镜扫描(SEM)36-37
• 2.3 MFC的接种与启动37-38
• 2.4 MFC的连接方法及反应周期设计38-39
• 第三章 MFC阴极电子受体筛选39-43
• 3.1 反应器的接种与启动39
• 3.2 电子受体原理简介39-40
• 3.2.1 KMnO_4电子受体39-40
• 3.2.2 K_3[Fe(CN)_6]电子受体40
• 3.2.3 K_2Cr_2O_7电子受体40
• 3.3 对比实验40-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第四章 MFC串联加速铜离子回收43-49
• 4.1 串联补给式MFC加速处理含铜废水的设计与运行43-44
• 4.2 高锰酸钾浓度对峰功率密度和峰电压的影响44-45
• 4.3 电极的EIS分析45
• 4.4 双MFC串联对铜的回收率45-47
• 4.5 双MFC串联对Cu-MFC的加速作用47-48
• 4.6 本章小结48-49
• 第五章 间歇式并联对MFC启动过程的加速作用49-53
• 5.1 对铜阴极的MFC启动的加速作用49-50
• 5.2 对锌阴极的MFC启动的加速作用50-51
• 5.3 对镉为阴极的MFC启动的加速作用51
• 5.4 本章小结51-53
• 第六章 双MFC间歇并联提高回收速率的研究53-67
• 6.1 无功率输出式间歇并联MFC的设计与运行53-54
• 6.2 连续流条件下间歇并联对MFC产电性能影响54-56
• 6.3 序批式条件下间歇并联对MFC产电性能影响56-57
• 6.4 不同阴极电子受体MFC电化学阻抗(EIS)分析57-60
• 6.5 MFC阴极去除Zn~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)的效率60-61
• 6.6 阴极电极电竞扫描(SEM)61-64
• 6.7 本章小结64-67
• 第七章 结论与展望67-69
• 7.1 结论67
• 7.2 展望67-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 研究成果及发表的学术论文75-77
• 作者和导师简介77-78
• 附件78-79

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