循环式微生物燃料电池产电性能及其微生物系统发育研究

发布时间：2016-07-12 04:08

  本文关键词：循环式微生物燃料电池产电性能及其微生物系统发育研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华中科技大学》 2013年

循环式微生物燃料电池产电性能及其微生物系统发育研究

王海萍  

【摘要】：新能源和可持续能源的研究和开发成为当今世界解决环境污染和能源危机、实现可持续发展的重要途径。微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）作为一种新型清洁能源，具有能量转化效率高、安全无污染等优点，受到各国的广泛关注。但是目前研究的大部分MFC都采用非生物阴极，利用质子交换膜隔开MFC的阴极和阳极两个极室。其成本高、稳定性差、容易造成催化剂污染等问题限制了其发展，不利于电池的放大。 笔者通过获得国家留学基金委员会“国家建设高水平大学公派研究生”留学项目的资助和校际合作在美国University of California, Ivine大学Sunny C. Jiang教授实验室开展微生物燃料电池的研究。本文以降低微生物燃料电池成本，结合废水处理过程，推动微生物燃料电池技术将来放大应用的角度出发，设计并构建循环式微生物燃料电池（Circulating Microbial Fuel Cell, CMFC），并对其产电性能，微生物群落系统发育进程，电子传导机制进行了深入研究。本文主要结果如下： 设计构建了全生物双极室结构的循环式微生物燃料电池（CMFC），采用可反复循环利用的多孔过滤分离器替代传统MFC采用的质子交换膜。由于CMFC的结构特点促进了质子从阳极向阴极的传递，避免阳极和阴极液的pH分化问题，有利于产电性能的提高。在CMFC采用直径4.5cm的分离器，进料速度1L/day进行启动运行保证了阳极的厌氧环境。连续进料启动模式有利于产电微生物的生长和质子的传输，CMFC在较短的适应期后，，电压不断的增加至200mV，连续运行7天后电压升至500mV，之后一直保持在500~610mV之间。CMFC采用12mM乙酸为底物在进料速度1L/d的连续运行条件下，能获得了58.1%最高库仑效率（CE）和30.1mW/m2功率密度最大值。 分别对阳极种泥、系统初步运行和稳定运行期的微生物样品（A1-A3）进行了细菌及古生菌微生物生态学分析。A1-A3样品的细菌群落分析表明，阳极不同时期的细菌群落在门、纲、目、属水平上均具有较高的多态性。生长环境的改变及电极趋化作用促使了阳极物种在不同运行期的明显变化，A1样品中主要物种为厚壁菌门（Firmicutes）、变形菌门（Proteobacteria）和热袍菌门（Thermotogae）。在A2-A3样品中主要物种为厚壁菌门、拟杆菌门（Bacteroidetes）和变形菌门。部分物种生长受到明显抑制，同时一些新的物种也得以发展，适应生长的优势菌得到了进一步富集。A1-A3样品的古生菌群落分析表明，古生菌物种总量大，丰度小。古生菌的生长在CMFC运行操作期受到抑制，总体数量明显下降。同时优势物种的所占比重减小，物种多样性和均匀度增强。主要物种由嗜热甲烷鬃毛菌（Methanosaetathermophila）向甲烷八叠球菌（Methanosarcina vacuolata）和甲烷微菌（Methanoregulaformicicum）转变。在阳极菌群中，对CMFC电能输出起主要作用的菌种有三大类：拟杆菌（Bacteroides spp.）、芽孢杆菌（Bacillus spp.）和梭菌（Clostridium spp.）。 对阴极系统接种活性污泥、系统初步运行和稳定运行期的微生物样品（C1-C3）进行了微生物生态学分析。C1-C3样品的细菌群落分析表明，阴极细菌群落均具有较高的多态性，细菌群落的丰度、多样性和均一性指数值随运行时期呈先下降后上升的趋势。好氧细菌物种丰富，主要物种为变形菌门和拟杆菌门。总体来看，物种丰富程度经历了从减弱到重新增强，分布程度从集中到恢复均匀的发育进程。CMFC产电过程中参与阴极生物催化过程的主要优势菌种有四大类：归属于变形菌门的Dokdonella spp.和Rhodanobacter spp.两种菌种在启动期和稳定期都具有优势作用；在稳定期突显优势作用的噬细胞菌（Cytophaga spp.）和假单胞菌（Pseudomonas spp.）。 阳极和阴极生物膜表面特征及活性观察表明：阴极和阳极中生物膜的表层都有大量处于良好成熟期的活性生物膜覆盖。电子传导介体实验和阳极菌种研究表明：生物膜引起的直接电子传递对CMFC电能的产生具有主要的贡献作用；阳极悬浮微生物通过自分泌的初级代谢物和次级代谢物作为电子介体引起的间接电子传递也同时存在CMFC电能的产生过程中，包括脱硫菌和产氢菌产生的初级代谢介体电子传递，以及假单胞菌次级代谢物绿脓菌素引起的具有可逆性介体电子传递。并由此推导出CMFC中存在的主要电子传递机制过程。

【关键词】：
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM911.45
【目录】：

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