基于畜禽废物碳化的阳极材料制备及阳极特性优化调控

发布时间：2020-05-29 00:52

【摘要】：随着畜牧养殖业的高度集约化发展,大量畜禽废物的堆积和排放引起了一系列的土壤污染、水污染等环境问题。为了解决生牛养殖带来的牛粪污染问题,当前已经开发了各类肥料化、饲料化、能源化的畜禽粪便处理技术。但经过肥料化处理的牛粪仍含有病原微生物、抗生素等有害成分;而饲料化处理工艺一次性投资大、能耗高,易造成环境二次污染。相比而言,牛粪的能源化是未来的主要发展方向,目前能源化产物主要是沼气,但该类技术受气温影响较大,运行稳定性欠佳。近年来,一种新型能源化技术—微生物燃料电池,兴起且得到广泛关注。该技术可以直接利用微生物氧化有机物获取电能,阳极材料是影响其产电性能的主要原因。目前,碳化废弃物阳极因其优异的生物兼容能力及廉价特性,受到越来越多关注。鉴于此,本研究以牛粪为原料,通过高温碳化制备阳极材料,并将其应用于微生物燃料电池反应装置中以获取电能,实现牛粪的无害化和资源化。同时基于电极修饰改性和阳极电势调控优化等方法,考察牛粪阳极稳定产电的可行性。论文的主要内容和结论如下:(1)考察了不同碳化温度(400,600,800和1000℃)对牛粪(CD)电极制备的影响,其中CD800比表面积最大(62.70m2 g-1),与未碳化CD相比,比表面积(0.36 m2 g-1)提高了 173倍。碳化温度高于600℃制备的电极材料作为阳极,产电启动时间仅需10小时,且电流均在启动50小时内达到稳定,性能远优于市售石墨板电极;其中CD800输出电流密度最高,达到11.74±0.41 A m-2。(2)在牛粪原料中掺入部分比例的碳酸氢钠、面粉,再碳化制备的多孔特性的改性复合生物阳极,最大电流密度高达22 A m-2,是CD800的1.9倍;在CD800表面通过添加碳微粒、聚苯胺和中性红涂层等方式进行阳极表面修饰优化,碳微粒和聚苯胺修饰后阳极电流密度分别提升了 1.27倍和1.25倍,而中性红表面修饰对CD800电极产电性能的提高作用不显著。结果表明掺混复合改性优化的CD800电极对于MFC产电性能的提升作用优于表面涂层改性优化的CD800电极。(3)考察了不同阳极电势调控对CD800电极的产电性能和表面功能微生物群落结构的影响。在-0.45 V电势调控下,反应器较难启动。随着调控电势从-0.29 V增加至0.31 V时,CD800电极的最大电流密度也随之提高,提高幅度与产电优势微生物Geobacter的增加比例基本一致,表明在这个电势范围内,电势越正则越有利于产电微生物的富集。但当调控电势增加至0.61 V时,CD800电极的产电性能未能进一步提高。在-0.45V～0.61V的电势范围调控下,CD800电极表面主要微生物在属水平上有22种,其中产电微生物土杆菌属(Geobacter)始终为优势菌群,含量在37%～72%;石墨电极表面主要微生物在属水平上有31种,Geobacter含量为18～74%。结果表明电势调控可以控制微生物在电极上的生长,对产电微生物Geobacter的群落丰度影响较大。
【图文】：

示意图,电极反应,示意图,反应器

本实验中使用的ＭＦＣ反应器参照Ｇｕｏ等人的反应器设计＾］，由八个工作逡逑电极（ＷＥ，ＣＤ电极）构成，共享相同的一个对电极（ＣＥ，碳毡）以及参比电逡逑极（ＲＥ，邋Ａｇ／ＡｇＣｂＭＫＣｌ），如图２所示。反应器的阳极室填充５００ｍＬ由Ｍ９逡逑溶液（ＮＨ４ＣＩ，Ｏ．ｌｇＬ＇ＮａＣｌ，邋０．５邋ｇＬ－＾ＫＩｆｃＰＣ＾，“ｇＬ－＾Ｋ＾ＨＰＣＫ，邋ＳＪｇｌ／１；逡逑ＭｇＳ0４）组成的溶液，Ｏ．ｌｇｌＡ邋ＮａＨＣ0３，ＳｇＬ－１），微量元素（ＦｅＳ0４．７Ｈ２０，逡逑ｌ．ＯｍｇＬ－１，ＣｕＳ0４．５Ｈ２0，０＿０２ｍｇＬ－１，Ｈ３ＢＯ３，０．０１４ｍｇＬ＿１，邋ＭｎＳ0４．４Ｈ２0，０＿１０逡逑ｍｇ邋Ｌ－１，ＺｎＳＣＶ７Ｈ２0，０．１０邋ｍｇ邋Ｌ－１，Ｎａ２Ｍｏ0４．２Ｈ２0，０．０２ｍｇＬ－１，Ｃ０ＣＩ２．６Ｈ２Ｏ，逡逑０．０２邋ｍｇ邋Ｌ－１）和ＩｇＬ－１乙酸钠组成的混合溶液。为了启动反应器，将实验室长期逡逑运行的ＭＦＣ反应器中的５０ｍＬ阳极流出物接种到阳极室中，阴极液溶液为Ｍ９逡逑溶液，阳极通过恒电位（Ｂｉｏｌｏｇｉｃ，Ｆｒａｎｃｅ）控制在ＯＶｖｓＡｇ／ＡｇＣｌ的电位，并逡逑且使用计时电流法（ＣＡ）收集当前数据。所有反应器置于３０°Ｃ的温室中序批次逡逑培

电化学阻抗谱,开路电位,频率范围,电导率

ｒａｎｇｅ邋ｏｆ邋１００邋ｋＨｚ邋ｔｏ邋１００邋ｍＨｚ邋ｉｎ邋ｆｒｅｓｈ邋ｍｅｄｉｕｍ逡逑２．３．４电流产生和生物膜形成逡逑如图２－７ａ所示，所有碳化ＣＤ阳极（除ＣＤ４００夕卜）在产电菌接入后约１０逡逑小时启动，约５０小时后电流密度就可以达到相对稳定（１０．０３邋Ａ邋ｍ邋－２？１２．１５邋Ａ邋ｍ＿２）。逡逑而大部分的商用碳基阳极一般无法在如此短的时间内完成启动并达到稳定运行，逡逑例如活性炭毡启动时间需要１０天［９９］，而碳网阳极也需要３－６天［＿。此外，在逡逑８００°Ｃ下时碳化ＣＤ获得最大电流密度，达到１１．７４邋±０．４１邋Ａｍ－２。逡逑在ＣＤ６００、ＣＤ８００和ＣＤ１０００电极表面可以观察到覆盖完整且有一定厚度逡逑的生物膜
【学位授予单位】：浙江工商大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM911.45

【参考文献】