基于多功能耦合的微生物燃料电池阴极性能优化及功能调控研究
发布时间：2021-09-06 02:45
微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）是一种利用产电微生物同步去除废水中污染物和产生电能的废水处理技术,具有操作条件温和、资源利用率高、无污染等特点。然而MFC对底物具有一定的选择性,其产电还需进一步提高,阴极造价及扩大后阴极性能的下降制约了其实际应用。目前,对阴极电化学性能的调控与功能耦合是提升阴极性能、促进废水有机物降解及产电性能提升的关键。本文通过制备阴极高性能与多功能催化剂、将MFC阴极与电芬顿（Electro-Fenton,EF）耦合、并对MFC阴极影响产电超调的机理分析,研究提升MFC废水处理及产电性能。1.制备Fe、N共掺杂碳基MFC阴极催化剂（Fe/N/C）,利用Fe、N掺杂提高氧还原的催化性能,通过催化剂织构特性调控提高电极稳定性。以魔芋根茎生物质炭为骨架,通过羟甲基化反应形成包覆生物质炭的三聚氰胺树脂预聚体,再与柠檬酸铁铵进行缩聚反应形成含Fe、N、C前驱体,经炉内热解制备Fe/N共掺杂碳基氧还原催化剂。通过改变前驱体的物料比和热解温度对催化剂的元素形态、织构特性等进行调控。所制备的Fe/N/C因有利的氮掺杂、镶嵌于碳骨架的Fe3...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：164 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氧气作阴极电子受体的MFC工作原理示意图
华中科技大学博士学位论文5图1-2MXCs工作原理示意图：（a）单室MFC，（b）微生物电解池（MEC），（c）微生物脱盐池（MDC），（d）微生物电化学合成池（MESC）Figure1-2Schematicworkingprincipleof(a)singlechamberMFC,(b)microbialelectrolysiscell(MEC),(c)microbialdesalinationcell(MDC)and(d)andmicrobialelectrosynthesiscell(MESC).1.2.2产电微生物及其电子转移机制自然界中许多微生物可将代谢活动产生的电子传递到电极。这些产电微生物广泛分布于海底沉积物、土壤、河湖底泥、废水、活性污泥等富含微生物的自然或污染环境中。目前已知的电活性细菌（electrochemnicallyactivebacteria，EAB）主要为异化金属还原菌（Dissmilitorymetalreductingbacteria，DMRB），包括Geobacterspp.，Shewanellaspp.，Rhodoferaxferrireducens，Aeromonashydrophila，Pseudomonasaeruginosa,Clostridiumbutyricum，Enterococcusgallinarum等[17]。DMRB在自然环境或污染环境中占微生物数量较低（3%左右），而在经过驯化后的MFC环境中，这类微生物占比可达70%以上。一般认为，MFC产电过程与DMRB的金属还原过程相似。在自然界中，DMRB
华中科技大学博士学位论文8图1-3产电微生物向电极的电子转移机制[16]：①以发酵产物为电子中介体的间接电子转移；②通过蛋白质细胞色素C的直接电子转移；③通过导电pili的直接电子转移Figure1-3MechanismsinvolvedinelectrontransferfromEABtoelectrode[16]:①indirecttransferviamediatorsorfermentationproducts;②directtransferviacytochromeproteins;③directtransferviaconductivepili.实际上，电活性微生物与电极间的电子传导通常是上述几种电子传导机制同时存在并相互协调的结果。例如，Shewanellaoneidensis可通过外膜细胞色素C和细胞纳米导线进行直接电子传递，其细胞分泌物核黄素和黄素单核苷酸可作为电子介体促进电子传递，核黄素还会与细胞色素C结合介导电子向电极传递[17]。图1-3是这些交互作用的简单示意。此外，在MFC环境中，各种群落微生物形成代谢和呼吸网络，非产电微生物还可能会分泌某些电子介体类物质，而产电细菌的不完全代谢产物可能是某些非产电微生物的营养物质。1.2.3阳极和阳极材料MFC阳极作为产电微生物生长附着的场所，阳极材料应当有利于产电微生物快速附着并顺利将电子传递到阳极。阳极性能影响因素主要包括：1、导电性；2、化学稳定；3、机械强度；4、表面积；5、生物兼容性等。MFC可采用的阳极材料主要有碳基材料、金属或金属化合物、导电聚合物等[28,29]。较常使用的碳基材料包括：碳布、碳刷、碳棒、碳网、碳纸、碳毡、颗粒活性
本文编号：3386582
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：164 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
氧气作阴极电子受体的MFC工作原理示意图
华中科技大学博士学位论文5图1-2MXCs工作原理示意图：（a）单室MFC，（b）微生物电解池（MEC），（c）微生物脱盐池（MDC），（d）微生物电化学合成池（MESC）Figure1-2Schematicworkingprincipleof(a)singlechamberMFC,(b)microbialelectrolysiscell(MEC),(c)microbialdesalinationcell(MDC)and(d)andmicrobialelectrosynthesiscell(MESC).1.2.2产电微生物及其电子转移机制自然界中许多微生物可将代谢活动产生的电子传递到电极。这些产电微生物广泛分布于海底沉积物、土壤、河湖底泥、废水、活性污泥等富含微生物的自然或污染环境中。目前已知的电活性细菌（electrochemnicallyactivebacteria，EAB）主要为异化金属还原菌（Dissmilitorymetalreductingbacteria，DMRB），包括Geobacterspp.，Shewanellaspp.，Rhodoferaxferrireducens，Aeromonashydrophila，Pseudomonasaeruginosa,Clostridiumbutyricum，Enterococcusgallinarum等[17]。DMRB在自然环境或污染环境中占微生物数量较低（3%左右），而在经过驯化后的MFC环境中，这类微生物占比可达70%以上。一般认为，MFC产电过程与DMRB的金属还原过程相似。在自然界中，DMRB
华中科技大学博士学位论文8图1-3产电微生物向电极的电子转移机制[16]：①以发酵产物为电子中介体的间接电子转移；②通过蛋白质细胞色素C的直接电子转移；③通过导电pili的直接电子转移Figure1-3MechanismsinvolvedinelectrontransferfromEABtoelectrode[16]:①indirecttransferviamediatorsorfermentationproducts;②directtransferviacytochromeproteins;③directtransferviaconductivepili.实际上，电活性微生物与电极间的电子传导通常是上述几种电子传导机制同时存在并相互协调的结果。例如，Shewanellaoneidensis可通过外膜细胞色素C和细胞纳米导线进行直接电子传递，其细胞分泌物核黄素和黄素单核苷酸可作为电子介体促进电子传递，核黄素还会与细胞色素C结合介导电子向电极传递[17]。图1-3是这些交互作用的简单示意。此外，在MFC环境中，各种群落微生物形成代谢和呼吸网络，非产电微生物还可能会分泌某些电子介体类物质，而产电细菌的不完全代谢产物可能是某些非产电微生物的营养物质。1.2.3阳极和阳极材料MFC阳极作为产电微生物生长附着的场所，阳极材料应当有利于产电微生物快速附着并顺利将电子传递到阳极。阳极性能影响因素主要包括：1、导电性；2、化学稳定；3、机械强度；4、表面积；5、生物兼容性等。MFC可采用的阳极材料主要有碳基材料、金属或金属化合物、导电聚合物等[28,29]。较常使用的碳基材料包括：碳布、碳刷、碳棒、碳网、碳纸、碳毡、颗粒活性
本文编号：3386582
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