微生物燃料电池阳极生物膜成膜及质子传输特性研究

发布时间：2020-05-27 01:04

【摘要】：随着社会的发展和科学技术的进步,能源以及环境问题逐渐成为人类在二十一世纪面临的两大挑战,严重制约着人类的生存和社会的可持续发展。近年来,传统化石能源的大量使用不仅使得化石能源日益枯竭,还严重污染了环境。同时,环境问题特别是水污染问题也变得日益严重,而目前在污水处理行业,以传统的方式处理废水一直处于“高投入,零产出”状态。因此,为保证社会的可持续发展,寻找新型清洁能源和新的污水处理工艺已成为当务之急。在此背景下,微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)技术应运而生,并逐渐发展起来。MFC技术采用微生物作为阳极催化剂,将废水中有机物的化学能转化为电能,在处理污水的同时又产生了电能,是一种清洁无污染的可再生能源装置。MFC由于其在处理污水的同时能够产生电能的这一独特优势,因而受到国内外学者们的广泛关注。然而,目前MFC输出功率较低,产电性能不高的问题成为了其商业化应用的一大瓶颈。在影响MFC产电性能的众多因素中,阳极性能起到了极为重要的作用。本文从工程热物理的角度出发,针对MFC阳极中底物及产物的传质问题,对阳极生物膜内部、阳极微小孔隙内部的H~+传输特性以及电池阴阳两极由于H~+跨膜传输造成的水传输现象进行研究。分别研究了以碳纸为阳极材料的微生物电化学系统阳极生物膜内部氢离子的传质特性、以石墨棒为电极单元构建的三维阳极石墨棒阵列内部的氢离子传质特性、以碳刷为电极材料构建的双室微生物燃料电池阴阳两极间的水传输特性。本文主要研究成果如下:1.微生物电化学系统(BES)阳极生物膜内传质现象的研究构建了以碳纸为阳极材料的微生物电化学系统,启动完成后对阳极生物膜内的传质现象进行研究。通过对微生物阳极用循环伏安法进行扫描测试、电化学阻抗测试以及生物膜形貌分析,研究了阳极生物膜内部的传质特性。研究结果表明:运用循环伏安法对微生物阳极进行测试时,使用不同的扫速或者同一扫速不同圈数情况下,阳极的循环伏安曲线(CV曲线)各不相同,扫描速度越小,CV曲线中氧化电流到达峰值后下降越严重。无底物条件下,最大峰电流与扫速的平方根成正比;电化学阻抗测试表明微生物阳极的传质内阻远大于欧姆内阻和传荷内阻。2.微小孔隙(0.5 mm)内部活性生物膜成膜及pH分布研究本实验使用石墨棒(直径0.9 mm),POM板,PTFE硬管构建了毫米级别孔隙的三维阳极阵列(10×10),相邻两根石墨棒间距(孔隙大小)为0.5 mm,研究了毫米级别孔隙的三维阳极阵列不同区域的电流分布、内阻分布、pH分布、生物膜氧化底物时的电子传递方式以及生物膜形貌。研究结果表明:三维阳极阵列从外向内,产电电流不断减少;欧姆内阻和传质内阻基本相同,传质内阻逐渐增大;pH值不断降低;活性生物量不断减少。3.双室微生物燃料电池阴阳极间水传递特性研究本节构建了以碳刷为阴阳极材料的双室微生物燃料电池,研究了由于H~+跨膜运输导致的“电渗拖拽”作用对阴阳两极间水传递现象的影响。研究结果表明,双室MFC阴阳两极间的水传输现象与放电电流强度、阴阳两极磷酸缓冲液(PBS)浓度以及质子交换膜厚度密切相关。放电电流越大、阳极PBS溶液浓度相对于阴极PBS溶液浓度越低、质子交换膜厚度越薄,阴阳极间水传输量越大。
【图文】：

原理图,微生物燃料电池,原理图

图 1.1 微生物燃料电池原理图Fig 1.1 Schematic diagram of Microbial Fuel CellFC 的产电原理如图 1.1 所示，阳极腔室中，产电菌附着在阳极电极身的无氧呼吸作用催化氧化阳极腔室内污水中的有机物，生成电子化碳。随后，产生的电子从生物膜区域向阳极电极表面区域进行传递方式包括以下几种：直接电子传递、通过电子中介体传递、通过助传递等[27]。电子到达阳极电极表面后，在阴阳极电势差的作用下外电路流经负载，然后传递至阴极电极，产生电流。产电菌氧化有生氢离子，在浓度差的作用下，阳极液中的氢离子跨过质子交换膜。在电池的阴极，通过质子交换膜传递过来的质子、通过外电路传子和阴极的电子受体（如 O2）三者发生反应生成水。整个反应过程物质和能量平衡，在处理污水的同时也产生了电能。MFC 反应过程中反应方程式以及总反应方程式分别如下:极反应：

功率曲线,功率曲线,极化曲线,开路电压

重庆大学硕士学位论文6图1.2 极化曲线（A）,功率曲线（B）[26]Fig.1.2 Voltage current curves (A)，power-current curves (B)[26]由图可知，MFC 的开路电压要小于理论电压值，原因有如下两点：1.在理论电压值的计算公式中使用的是主体溶液中底物的浓度，而在实际的反应中，由于溶液中存在着浓度边界层，，因此，参与反应的实际底物浓度要小于主体溶液中底物的浓度，导致理论电压要比实际开路电压偏高；2.MFC 溶液中存在着阴阳离子的迁移，这种现象会导致电池存在微弱的电流回路，因而对电池的电压起到了抵消作用。以上原因导致电池的实际开路电压要低于理论电压值。在 MFC 运行过程中
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45;X703

【参考文献】