生物阴极MFC的构建及其性能研究与纳米材料对MFC的影响

发布时间：2017-12-25 09:25

本文关键词：生物阴极MFC的构建及其性能研究与纳米材料对MFC的影响　出处：《福建师范大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本文研究了脱氮副球菌YF1在微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)阴极中的脱氮、电能输出性能与纳米石墨烯与纳米铁在微生物燃料电池中对产电以及底物降解速率的影响。首先,通过构建脱氮副球菌YF1生物阴极微生物燃料电池实现同步脱氮、去除COD、产电的目标,并且测试了脱氮菌在阴极的降解特性、电量输出情况以及不同碳氮比、pH值对该微生物燃料电池的影响,通过表征以及一系列测试,探讨了脱氮副球菌YF1生物阴极微生物燃料电池实现同步脱氮、去除COD、产电的机理。发现阴极碳氮比,pH值对产电和脱氮效率有明显影响,当MFC的阴极运行条件pH值为8.0,碳氮比为20时,阴极细菌产电最优,且脱氮速率快；运行时间15h时,脱氮率高达100%且无亚硝酸根生成,最大输出电压为150mV。实验结果表明,微生物燃料电池运行过程中,细菌降解硝酸根的机理为硝酸根还原为Nz或者直接作为细菌自身的营养物质。此外,循环伏安(CV)、扫描电镜(SEM)表征技术测试了不同的pH值对MFC的影响。本研究工作与相关研究不同是：文献报道的是利用混合菌在阴极完成脱氮产电,而本文是利用课题组自筛保存的脱氮副球菌YF 1构建纯种生物阴极,排除了因为阴极为混合菌带来的脱氮、产电机理研究不够明确的难题。我们的实验数据分析结果表明：在MFC运行中,副球菌YF1的导电机制最有可能为接触导电。其次,为了提高微生物燃料电池电压输出,相关研究着力于把纳米技术引入微生物燃料电池中,同时环境中随着纳米材料应用领域的拓宽,势必导致环境中的纳米材料存量的增加,因此关于纳米材料可能产生的生物效应与安全性问题引起了环境学界及生物学界的关注,研究纳米材料对环境微生物毒性效应的课题成为未来材料科学、环境科学领域具有挑战性的热点课题,其中纳米材料对生物电化学系统(MFC)性能的影响研究几乎空白。本文在课题组研究基础上优先切入这一新兴研究领域,初探了纳米材料(石墨烯／纳米铁)在微生物燃料电池中是否具有生物相容性,是否具有电极修饰应用潜能的特性,同时研究了悬浮的纳米材料对微生物燃料电池性能的影响。为此设计了不同种类与不同浓度纳米材料加入微生物燃料电池中的实验,考察了微生物燃料电池的运行周期以及电压输出情况。通过对微生物燃料电池阳极的COD测试,考察了阳极溶液中有机物代谢特征；采用SEM、TEM、FTIR、 XRD、EDS等表征技术考察了悬浮液中微生物生长情况,电极表面微生物的活性情况,微生物与纳米材料之间的相互作用情况,实验结果表明：石墨烯具有较好的生物相容性,而纳米铁对微生物燃料电池中的细菌具有较大的生物毒性。500mg/L与50mg/L的石墨烯的加入加快了微生物燃料电池中悬浮非产电菌生长,导致MFC的运行周期分别减少了40h与20h,库仑效率降低,总电能输出减少。而500mg/L与50mg/L的纳米铁的添加对MFC影响不同于石墨烯,其中500mg/L的纳米铁在培养液中团聚,加快微生物燃料电池中悬浮非产电菌生长,加快了COD的降解,且高浓度的纳米铁对电极表面的细菌有较大毒性,导致MFC运行在65h时,电极表面细菌大面积死亡,运行中止。而50mg/L的纳米铁加入对MFC阳极中悬浮非产电菌有纳米毒性,抑制了阳极室中非产电细菌的生长,导致MFC运行周期延长10h,增加了库仑效率,总电能输出提升。因此可以推断：纳米石墨烯因为具有较好的生物相容性,可以作为电极修饰物,增加电极的比表面积与导电性能。低浓度的纳米铁可以作为抑制剂,抑制微生物燃料电池阳极中悬浮非产电菌的生长,增加了库仑效率,降低污泥产生量,提升总电能输出。
【学位授予单位】：福建师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.45;X703

【参考文献】