微生物燃料电池碳基电极的界面调控与电化学性能强化

发布时间：2019-11-28 11:59

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fiiel cell, MFC)以产电微生物为催化剂将废水中蕴含的化学能转化为电能,是一种新型的污水处理与能源回收技术。单室空气阴极MFC结构简单,能够在无外力作用下直接吸取空气中的氧气,具有良好的应用前景。目前MFC尚未实现大规模实际应用,制约MFC实用化的因素主要有三方面：电池功率密度偏低、构造成本偏高和长期运行稳定性差。本论文针对MFC实用化的需求,通过调控阳极和阴极电化学反应的界面特性,强化电极的电化学性能,为提高MFC的功率密度、降低构造成本、提高电池的长期稳定性提供理论和技术支持。针对阳极材料电化学性能偏低、处理成本偏高的问题,提出了低成本、环保、高效的阳极改性方法。以甲酸、异丙醇、过氧化氢、次氯酸钠预处理碳布阳极,降低了C-O和吡咯氮或吡啶氮(N-5)官能团的含量,促进了产电微生物在阳极表面的生长和成膜,提高了阳极生物膜的电子传递性能,从而使MFC的最大功率密度提高了26.4%～43.6%。采用对环境低污染的超声法和阳极倒出液处理碳布阳极,使MFC的最大功率密度提高了23.3%和32.7%。针对空气阴极氧气还原性能不理想、耐水压性能差的问题,开发了一种新型耐水压不锈钢网空气阴极；采用微波辐射法代替传统的加热方式制备空气阴极催化层,改善了催化层内氧气还原的三相界面,提高了阴极交换电流密度,降低了阴极内阻,使MFC的最大功率密度提高了15.6%-23.3%。为了解决空气阴极电化学性能长期稳定性较差的问题,研究了阴极生物膜产生的溶解性微生物产物(SMP)对空气阴极的影响机理,并首次对MFC系统中的SMP进行了表征。发现MFC阴极生物膜SMP含有大量的多糖、蛋白质和腐殖酸等有机物,这些物质含有丰富的羧基、氨基、羟基等官能团,SMP的分子直径小于600nm。MFC长期运行后,阴极生物膜SMP会扩散进入催化层,降低催化层的疏水性,降低阴极的导电性和催化剂的催化活性,并阻碍氧气、H+、OH-等物质的传输,从而增大阴极内阻,降低空气阴极的电化学性能和MFC的产电功率。为了提高空气阴极电化学性能的长期稳定性,提出了在催化层中嵌入恩诺沙星抑制阴极生物膜生长的新方法。使阴极表面生物膜的生物量降低了60.2%,大幅提高了空气阴极电化学性能的稳定性,使MFC运行3个月后功率密度几乎保持不变,而普通阴极MFC的功率输出下降了22.5%。
【图文】：

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仍需经过进一步处理才能达到排放要求，不能作为单一的污水处理技术使用［９］。逡逑微生物燃料电池（Ｍｉｃｒｏｂｉａｌ邋Ｆｕｅｌ邋Ｃｅｌｌ，ＭＦＣ）是一种新型的污水处理技术与新能源技逡逑术［１0－１２］（图１－１）。它利用微生物催化氧化污水中的有机物，将化学能转化成电能，在净化逡逑污水的同时，回收污水中蕴藏的能量，实现污水处理过程由耗能向产能转变，近年来受到逡逑国内外研巧者的广泛关注。ＭＦＣ的污水处理效率与好氧生物处理技术的效果相当，但污逡逑泥产量大大降低；另一方面，ＭＦＣ产生的电能可直接用于污水处理广的各种设施，实逡逑现无需外来供电、可持续的污水处理，能极大地降低污水处理成本。ＭＦＣ为实现污水处逡逑理的可持续发展提供了良好的思路，加强对该技术的基础理论和实用化研究，将有利于推逡逑动我国乃至全球污水处理行业的发展。逡逑Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ邋Ｉｔｅｍｓ邋ｉｎ邋巨ａｃｈ邋Ｙｅａｒ逦Ｃｉｔａｔｉｏｎｓ邋ｉｎ邋Ｅａｃｈ邋Ｙｅａｒ逡逑６００邋．邋．邋？，．，－逡逑１５，０００１逦Ｉ逡逑５００逡逑４００邋－！逦１逦１０

产电,微生物燃料电池,阳极催化剂,电子受体

通过电池内部的电解液也扩散到达阴极，在阴极，电子、质子与最终的电子受体（氧气、逡逑铁氯化钟、高猛酸钟、y酸盐类等）结合，发生还原反应，从而完成整个产电循环。在底逡逑物与阴极电子受体都充足的条件下，在外电路添加一个负载就能持续获得电能（图１－２）。逡逑ｌｏａｄ逡逑逦＾逦１逡逑ｔｅ－逦ｅ邋；逡逑；逦ｒ逡逑Ｉ逡逑Ｉｔ。。，邋Ｈ．Ｆ＾ｒ．逡逑■＇NB，Ｖ邋ｓｕｂｓｔ巧化■逦＋逦／逡逑、邋国邋Ｑ２＋Ｈ＋＋ｅ．ｙ逡逑■、：已邋ｂａｃｔｅｒａ逦Ｉ逦？邋一邋？逡逑ａｎｏｄｅ逦ｓｅｐａｒａｔｏｒ邋ｃａｔｈｏｄｅ逡逑图１－２微生物燃料电池的工作原理图（ｋ：＞ｌ氧气为电子受体为例）逡逑产电微生物为阳极催化剂是ＭＦＣ区别于其他燃料电池最典型的特征。产电微生物逡逑可＾＾将细胞呼吸链中的电子传递至细胞膜外，同时从电子传递中获得能量而生长。文献报逡逑道的产电微生物已有２０余种，包括希万氏菌／？ｗ。＇如ｚｃ／ｅ／ｗ＊）、硫还原地杆菌逡逑矿、铁还原红育菌（／？／？0加作ｍｘ逦Ｊｗｃ如？￥■）、沼泽红假单胞菌逡逑欠／？0加於ｅｗ沁ｍｏｗ口５b6／ｗR%ｎ’ｓ）、人苔白杆菌（化／ｚ７－0６口如＇画幻ｎ伽、铜绿假单胞菌逡逑（b6此＂加＂２0／燃ｏｅｒｗ如窗０）和下酸梭菌（Ｃ／ｏ如础？画邱）等。这些细菌多数为变形菌口逡逑（ｐｒｏｔｅｏｂａｃｔｅｒｉａ卿厚壁菌口（Ｆｉｒｍｉｃｕｔｅｓ）的铁还原菌，且为兼性厌氧菌，它们可佸氧化糖类、逡逑有机酸等获得能量［１０，，巧。其中拥ｅｖｖ口ｎｃ／／ａ邋／化如ｆｃ／ｅ心和Ｇｅｏｂｏｃ化ｒ邋矿ｗｒｅ仇ｃｅ／ｉｙ是研究逡逑３逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM911.45

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