微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究

发布时间：2020-07-05 05:03

【摘要】： 随着全世界范围内的能源紧缺和环境污染问题的加剧,研发新的环境友好处理工艺从有机废水中回收有价能源已经成为环境工程领域一个重要的方向,是实现废水处理能源化与可持续性发展的重要途径之一。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)能够利用微生物作为催化剂将有机化合物氧化分解,同时产生电流,将有机物中的化学能直接转化为电能,是一种全新的废水处理技术。目前,MFC在全世界范围内的研究尚处于起步阶段,大量的工作集中在技术的可行性和基础研究的水平上,而限制该技术应用于商业化和工程应用的主要问题是产电功率密度低,材料造价昂贵,MFC型式的不确定。针对MFC研究目前存在的问题,本文以典型的双室MFC和单室MFC为研究对象,系统研究了MFC的基本特性、阳极底物溶液性质的影响、阴极强化、空气阴极MFC结构的改进及相关机制。论文取得了一些创新性的研究成果。使用厌氧污泥能够成功启动双室MFC和单室MFC,在间歇运行方式下,使用乙酸钠作为单一的有机底物能够获得稳定的电压输出和COD去除。最大功率密度的顺序为:K3[Fe(CN)6]阴极MFC空气阴极MFC曝气阴极MFC。K3[Fe(CN)6]阴极MFC、曝气阴极MFC和空气阴极MFC的库仑效率CE与COD去除率分别为49 %、28.2 %、33.8 %和60 %、45.3 %、80 %。控制双室MFC性能的关键因素是阳极特性,而控制单室MFC性能的关键因素是空气阴极的催化反应动力学和氧传质特性。导致K3[Fe(CN)6]阴极MFC和空气阴极MFC库仑损失的主要原因分别是厌氧菌与产电菌争夺有机底物和氧气的阴极扩散。这些结果表明,MFC能够实现产电和同步有机废水处理;此外,在对MFC反应器进行设计和运行优化时要充分考虑到不同形式MFC功率密度和库伦效率的主要限制因素不同。单糖、多糖以及一些常见的小分子有机挥发酸盐和醇类物质均可作为MFC产电的有机底物,功率密度随有机底物浓度的变化具有“饱和效应”,可以用经典的Monod方程式进行描述和非线性回归分析。底物浓度较高时,搅拌的影响不明显;底物浓度较低时,搅拌的影响十分显著。在双室MFC中,阳极电解液具有良好的缓冲能力能够维持pH处在一个稳定的水平,是保证MFC稳定运行的重要条件。适当地提高离子强度能够降低MFC的内阻,提高电流密度和功率密度。无论对于双室MFC还是单室MFC,高浓度的NH3-N对MFC产电都没有影响。单室MFC中的NH3-N转化与好氧氨氧化有关,与产电无关。双室MFC中阳极的一部分NH3-N在产电过程中以NH4+的形式扩散进入阴极,以维持电荷平衡。这些结果都表明,在对MFC进行基础研究和运行优化时,要充分考虑到有机物、水力条件及电解液缓冲能力对系统的影响和限制作用。通过对比研究发现,在双室MFC中,酸性KMnO4阴极MFC的开路电位能够达到1.48 V,最大功率密度远高于K3[Fe(CN)6]和氧气。在使用酸性KMnO4阴极时,阴极的电极电位主要受控于KMnO4浓度和pH,但对pH更加敏感。在[KMnO4]=20 mg·L-1和pH=3.5的条件下,环式MFC的最大功率密度能够达到3986.72 mW·m-2。SEM和XPS分析表明,KMnO4的主要还原产物是沉积在电极表面的固相MnO2,这是KMnO4阴极MFC具有高电位的主要原因。对于单室空气阴极MFC来说,阴极的性能是影响功率输出的重要因素。缩短电极距离、增大阴极的面积都能够降低电池内阻。空气阴极的Pt负载量对功率输出的影响与Nafion溶液的使用密切相关。这些结果都充分表明,提高阴极的电化学氧化性能是强化MFC功率输出的重要途径。开发了更适于废水处理的升流式空气阴极MFC(UAMFC)。随着有机负荷率的增加,功率密度先升高再降低;COD去除率、CE、EE和pH均呈现出下降的趋势。电化学阻抗谱(EIS)分析表明,电荷转移内阻Rc、欧姆内阻Rohm和扩散内阻Rd分别占总内阻的22.6 %、50.2 %和26.3 %,欧姆内阻占主导作用,主要由UAMFC的结构形式决定。高有机负荷下,回流比影响不显著;低有机负荷下,提高回流比能显著提高功率密度。氮的去除与产电过程无关,主要受到有机负荷的影响。通过对UAMFC的长期行为进行观察,发现功率以0.051 W·m-3·d-1的速率降低,欧姆内阻Rohm和扩散内阻Rd有升高的趋势。通过对空气阴极MFC的设计进行改进,能够实现连续产电及有机物和氮元素的去除。该种设计模式的显著优点是尽最大限度减少了电极距离,降低内阻,提高功率输出,进而为优化空气阴极MFC的设计与运行提供了切实可行的依据。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703.1
【图文】：

环境工程,环境问题,功率密度,能源

图 1-1 Science 和 Nature 杂志封面对 MFC 的报道Fig. 1-1 News on microbial fuel cell appeared in the cover of Science and Nature magzin0.0010.010.11101001000100001000001999 2001 2003 2005 2007 2009年份率密度功m(W m2-)?图 1-2 近 9 年文献报道的 MFC 功率密度的数量级统计Fig. 1-2 Statistics of the order of magnitude in area-based power density produced fromreported MFC within recent 9 years在能源紧张和环境问题日益突出的今天，MFC的研究也为环境工程

示意图,示意图,阳极,氢燃料电池

哈尔滨工业大学工学博士学位论文基本结构与工作原理化学电源的观点来看，最原始的MFC和氢燃料电池在构造和似，均由阳极、离子交换膜和阴极组成，阴极使用金属Pt作为阴极反应的过电位损失[20~22]。唯一不同的是氢燃料电池的阳纯度氢气作为燃料，Pt金属作为催化剂；而MFC阳极使用的是物作为燃料，以生长在电极表面的厌氧微生物作为催化剂。废水生物处理技术的观点来看，MFC 属于复合式处理系统，水好氧处理，又不同于厌氧处理。就阳极转移电子的微生物无疑属于厌氧处理技术，因为阳极中电极还原微生物必须在厌生长，形成厌氧生物膜；但是阴极通常要通过曝气来提供电子FC 也是一个好氧处理系统，只是这里的氧气不参与微生物的是在阴极间接接受从阳极释放出来的电子和质子参与电化学还验室研究中最经常使用的电池形式为“H”型 MFC，主要由质子交换膜组成（如图 1-3 所示）。

【引证文献】