多孔生物质及三维一体式电极材料增强MFC产电性能研究
发布时间：2021-08-13 05:55
微生物燃料电池（MFC）,能利用微生物的代谢作用同步实现废水处理与能源回收,其可持续发展理念广受重视。但MFC的发展仍面临很多挑战,例如功率输出、稳定性、电子利用效率低和投入成本等问题,都极大限制了其进一步发展。一直以来,单室空气MFC构型被广泛使用,且多采用Pt/C作为空气阴极催化剂,但它成本较高,易被复杂溶液体系污染,单室构型虽节省了质子交换膜的使用,同时也损耗了阳极的电子利用效率;另一方面,阳极常用的碳布、碳刷等二维碳材料存在生物附着量低、传质过程受阻、长期运行稳定性差、价格昂贵等问题。针对上述问题,本文以废弃的生物质（柚子皮、鸡蛋壳）作为材料来源,在阴极构建了Fe3C/WC/GC纳米复合物和鸡蛋壳膜（ESM）分隔材料,以提高单室MFC的功率输出、库伦效率及稳定性,并有效降低MFC投入成本。基于废弃柚子皮具有天然形成的多孔结构和含氧官能团,可以在柚子皮碳骨架上原位引入大量铁盐([Fe（CN）6]4-)和钨盐(WO42-),在惰性气氛下通过原位碳热还原的方法“一步”合成Fe...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1-1双室型空气阴极MFC
但另一方面,没有分隔膜的使用,也造成一定问题,例如在空气阴极附近,氧气会逐渐通过阴极表面扩散到溶液体系中,导致阳极微生物产生的电子利用效率下降;同时因为阴、阳极区的底物相互扩散交叉污染,影响阴极催化剂界面的反应效率,会导致MFC性能有所下降。针对单室空气MFC存在问题,一般利用PTFE调控空气阴极防水扩散层厚度,改善氧气的扩散,但同时也容易造成阴极界面氧气传质受阻,影响阴极性能。单室空气MFC反应器具有独特的优势,是目前应用最广泛的反应器构型之一,为了进一步增强其产电性能,从提高电极界面反应出发,将针对单室型空气阴极MFC存在的一些问题与不足,展开后续研究。MFC研究正处于发展期,是一项具有潜在应用价值的绿色能源技术。与其它燃料电池相比具有一定优势,MFC除了在理论上具有较高的能量转化效率,还拥有许多独特优点:1)原料来源广泛。大自然中存在多种多样的微生物群体可用来代谢产电,还有大量种类复杂的废弃无机物及有机物可作为基底燃料供给微生物生长代谢,从偶氮染料、脂肪酸、苯酚等[24,25]难降解有机物到实际生活污水、工业废水、垃圾渗滤液等等[26,27],均可被MFC用作底物进行去除的同时产电;2)系统运行简便,条件温和。以微生物酶为主的生物催化剂在常温常压、中性pH条件下就能够维持良好的催化活性;3)产物清洁。仅利用空气中的氧气作为电子受体,反应产物为H2O,阳极氧化有机物形成最终产物是CO2和H2O,属于清洁产物,不需要后续处理工艺,属于真正意义的“绿色技术”;4)应用广泛。除了处理各种不同类型的废水外,还可将其产生的电能回收并应用在一些特殊环境。由于它具有良好的生物相容性,可以利用人体血液循环过程中的代谢产物和氧气作为燃料,产生电能并供给植入人体内的人造器官或者用作生物传感器等[28]。
除了上述的纳米导线直接传递电子外,研究表明还存在种间电子传递,Gorby等[34]发现Pelotomaculum thermos-propionicum会产生较粗的类似伞毛的纳米导线,在共培养基中这些纳米导线会将发酵细菌和甲烷细菌连接在一起,促进种间的电子传递,能够增强种间共生代谢过程,目前关于纳米导线促进EET的研究仍需获得更多的信息。(2)细胞-表面电子传递
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化石墨烯与聚苯胺修饰阴极的微生物燃料电池电化学性能[J]. 刘诗彧,王荣昌,马翠香,周欣逸,杨殿海. 中国环境科学. 2019(09)
[2]微生物燃料电池电能产生及污废水处理的研究进展[J]. 侯连刚,李军,杨京月,刘阳. 新能源进展. 2019(04)
[3]微生物燃料电池阳极产电菌电子转移主要机制及其影响因素[J]. 刘岩婉晶,赵倩楠,葛润蕾,翟彦霞,杨淞,杨晓月,周启星,李凤祥. 环境化学. 2019(08)
[4]微生物燃料电池降解焦化废水过程研究[J]. 冯雅丽,于莲,李浩然,康金星,王媛. 中国环境科学. 2018(11)
[5]微生物燃料电池构型研究进展[J]. 刘斌,尚均顶,王许云. 当代化工. 2018(10)
[6]微生物燃料电池阳极材料改性研究进展[J]. 王美聪,刘婷婷,张学军,吴丹,樊立萍. 环境科学与技术. 2018(10)
[7]碳纳米材料修饰阳极电极对微生物燃料电池传感器水体毒性检测灵敏度的影响[J]. 余登斌,江岚,王沛,李婷,董绍俊. 分析化学. 2018(07)
[8]产电微生物Shewanella菌厌氧呼吸代谢网络研究进展[J]. 刘鹏程,朱雯雯,肖翔. 微生物学通报. 2015(11)
[9]有机废水发酵法生物制氢中试研究[J]. 李建政,任南琪,林明,王勇. 太阳能学报. 2002(02)
[10]有机废水处理生物制氢技术[J]. 任南琪,王宝贞. 中国环境科学. 1994(06)
本文编号：3339885
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图1-1双室型空气阴极MFC
但另一方面,没有分隔膜的使用,也造成一定问题,例如在空气阴极附近,氧气会逐渐通过阴极表面扩散到溶液体系中,导致阳极微生物产生的电子利用效率下降;同时因为阴、阳极区的底物相互扩散交叉污染,影响阴极催化剂界面的反应效率,会导致MFC性能有所下降。针对单室空气MFC存在问题,一般利用PTFE调控空气阴极防水扩散层厚度,改善氧气的扩散,但同时也容易造成阴极界面氧气传质受阻,影响阴极性能。单室空气MFC反应器具有独特的优势,是目前应用最广泛的反应器构型之一,为了进一步增强其产电性能,从提高电极界面反应出发,将针对单室型空气阴极MFC存在的一些问题与不足,展开后续研究。MFC研究正处于发展期,是一项具有潜在应用价值的绿色能源技术。与其它燃料电池相比具有一定优势,MFC除了在理论上具有较高的能量转化效率,还拥有许多独特优点:1)原料来源广泛。大自然中存在多种多样的微生物群体可用来代谢产电,还有大量种类复杂的废弃无机物及有机物可作为基底燃料供给微生物生长代谢,从偶氮染料、脂肪酸、苯酚等[24,25]难降解有机物到实际生活污水、工业废水、垃圾渗滤液等等[26,27],均可被MFC用作底物进行去除的同时产电;2)系统运行简便,条件温和。以微生物酶为主的生物催化剂在常温常压、中性pH条件下就能够维持良好的催化活性;3)产物清洁。仅利用空气中的氧气作为电子受体,反应产物为H2O,阳极氧化有机物形成最终产物是CO2和H2O,属于清洁产物,不需要后续处理工艺,属于真正意义的“绿色技术”;4)应用广泛。除了处理各种不同类型的废水外,还可将其产生的电能回收并应用在一些特殊环境。由于它具有良好的生物相容性,可以利用人体血液循环过程中的代谢产物和氧气作为燃料,产生电能并供给植入人体内的人造器官或者用作生物传感器等[28]。
除了上述的纳米导线直接传递电子外,研究表明还存在种间电子传递,Gorby等[34]发现Pelotomaculum thermos-propionicum会产生较粗的类似伞毛的纳米导线,在共培养基中这些纳米导线会将发酵细菌和甲烷细菌连接在一起,促进种间的电子传递,能够增强种间共生代谢过程,目前关于纳米导线促进EET的研究仍需获得更多的信息。(2)细胞-表面电子传递
【参考文献】：
期刊论文
[1]氧化石墨烯与聚苯胺修饰阴极的微生物燃料电池电化学性能[J]. 刘诗彧,王荣昌,马翠香,周欣逸,杨殿海. 中国环境科学. 2019(09)
[2]微生物燃料电池电能产生及污废水处理的研究进展[J]. 侯连刚,李军,杨京月,刘阳. 新能源进展. 2019(04)
[3]微生物燃料电池阳极产电菌电子转移主要机制及其影响因素[J]. 刘岩婉晶,赵倩楠,葛润蕾,翟彦霞,杨淞,杨晓月,周启星,李凤祥. 环境化学. 2019(08)
[4]微生物燃料电池降解焦化废水过程研究[J]. 冯雅丽,于莲,李浩然,康金星,王媛. 中国环境科学. 2018(11)
[5]微生物燃料电池构型研究进展[J]. 刘斌,尚均顶,王许云. 当代化工. 2018(10)
[6]微生物燃料电池阳极材料改性研究进展[J]. 王美聪,刘婷婷,张学军,吴丹,樊立萍. 环境科学与技术. 2018(10)
[7]碳纳米材料修饰阳极电极对微生物燃料电池传感器水体毒性检测灵敏度的影响[J]. 余登斌,江岚,王沛,李婷,董绍俊. 分析化学. 2018(07)
[8]产电微生物Shewanella菌厌氧呼吸代谢网络研究进展[J]. 刘鹏程,朱雯雯,肖翔. 微生物学通报. 2015(11)
[9]有机废水发酵法生物制氢中试研究[J]. 李建政,任南琪,林明,王勇. 太阳能学报. 2002(02)
[10]有机废水处理生物制氢技术[J]. 任南琪,王宝贞. 中国环境科学. 1994(06)
本文编号：3339885
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