空气型微生物燃料电池分隔材料、阴极及构型优化
发布时间：2020-12-29 03:32
微生物燃料电池（Microbial fuel cell,MFC）技术在净化污水的同时可以将有机物中的化学能直接转化为电能,是一种新型污水处理与能源回收技术,为未来污水处理提供了新思路。空气型MFC具有良好的应用前景,不需主动曝气,阴极以空气中的氧气为电子受体,还原产物是水。库仑效率和功率密度偏低、成本偏高是制约空气型MFC实用化的关键问题。本论文系统研究了空气型MFC分隔材料特性,并以此为基础对空气阴极及反应器构型进行了优化,以提高MFC产电功率和库仑效率,为进一步研究奠定基础。本论文建立了以质子传质系数、氧气传质系数以及欧姆内阻为评价指标的空气型MFC分隔材料的评价体系,比较了非荷电性分隔材料玻璃纤维、尼龙、J-Cloth以及荷电性分隔材料阴、阳离子交换膜等多种材料的特性与产电性能。研究表明玻璃纤维具有良好的质子传递性能、高效的阻隔氧气性能以及较小的欧姆阻力,用作分隔材料可以有效缩短MFC启动时间,增强阳极性能,减少阴极生物污染,提高产电功率和库仑效率。本论文考察了非荷电性分隔材料孔径对MFC产电性能的影响,研究表明0.2μm～160μm六种孔径尼龙材料用作分隔材料时MFC的功率密度...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.2 微生物燃料电池基本原理及构型
1.2.1 微生物燃料电池的基本原理
1.2.2 产电微生物胞外电子传递机理
1.2.3 微生物燃料电池构型概述
1.2.4 空气型微生物燃料电池优势与不足
1.3 微生物燃料电池分隔材料研究进展
1.3.1 荷电性分隔材料
1.3.2 非荷电性分隔材料
1.4 微生物燃料电池空气阴极研究进展
1.4.1 阴极在MFC中的重要性
1.4.2 空气阴极催化剂
1.4.3 空气阴极扩散层优化
1.5 研究目的和研究内容
1.5.1 研究目的
1.5.2 研究内容
第2章 空气型微生物燃料电池的构建与性能评价方法
2.1 微生物燃料电池的构建
2.1.1 空气阴极的制作
2.1.2 阳极及预处理
2.1.3 反应器组装
2.2 微生物燃料电池的启动、运行与数据采集
2.2.1 反应器的启动与运行
2.2.2 电压数据的采集
2.3 微生物燃料电池的性能评价
2.3.1 极化曲线与功率密度曲线
2.3.2 库仑效率的测定与计算
2.3.3 交流阻抗谱法
2.3.4 线性扫描伏安法
2.3.5 循环伏安法
2.4 材料表征、生物学方法与其它测试方法
2.4.1 扫描电子显微镜
2.4.2 生物量的测定
2.4.3 细菌16S rRNA克隆文库及评估方法
2.4.4 溶解氧的测定
第3章 空气型微生物燃料电池分隔材料特性与优选
3.1 微生物燃料电池分隔材料特性的表征
3.1.1 分隔材料内阻、质子传递性能以及氧气传质性能
3.1.2 空气型MFC在无分隔材料下启动
3.1.3 分隔材料在空气型MFC中的产电性能
3.2 非荷电性分隔材料孔径对微生物燃料电池产电的影响
3.2.1 不同孔径尼龙和玻璃纤维滤膜的材料特性
3.2.2 不同孔径尼龙作为分隔材料的产电性能
3.2.3 不同孔径玻璃纤维滤膜的产电性能
3.2.4 功率密度与库仑效率间的关系
3.3 荷电性分隔材料特性与调控
3.3.1 阴、阳离子交换膜在MFC中的产电性能与形变
3.3.2 采用不锈钢网控制膜材料形变下的MFC产电性能
3.3.3 膜材料对MFC中溶液的pH值和电导率的影响
3.4 本章小结
第4章 玻璃纤维分隔材料对空气型微生物燃料电池启动和产电的影响
4.1 玻璃纤维分隔材料在不同温度下对微生物燃料电池启动的影响
4.1.1 有/无分隔材料下MFC启动阶段的电压输出
4.1.2 有/无分隔材料下MFC产电性能
4.2 玻璃纤维分隔材料在不同温度下对阳极性能的影响
4.2.1 长期运行阳极电势变化
4.2.2 阳极的循环伏安特性
4.2.3 阳极的阻抗谱特性与内阻
4.2.4 阳极微生物对温度的适应性
4.2.5 阳极微生物量对阳极性能的影响
4.2.6 阳极微生物群落结构分析
4.3 玻璃纤维分隔材料对阴极氧气传质及阴极生物膜特性的影响
4.3.1 新、旧分隔材料与阴极的氧气传质特性
4.3.2 实际MFC运行中溶解氧溶度
4.3.3 阴极与分隔材料上的生物膜
4.4 本章小结
第5章 空气阴极优化研究
5.1 空气阴极碳布防水比例与扩散层层数优化研究
5.1.1 不同碳布防水比例及不同扩散层层数空气阴极的制备
5.1.2 不同碳布防水比例及不同扩散层层数空气阴极MFC产电性能
5.1.3 空气阴极的线性扫描伏安特性
5.1.4 空气阴极氧气传质性能与功率密度之间的关系
5.2 FEP替代PTFE作为防水与扩散层材料的研究
5.2.1 FEP替代PTFE空气阴极的制备
5.2.2 低防水比例碳布FEP扩散层空气阴极MFC的产电性能
5.2.3 中高防水比例碳布FEP扩散层空气阴极MFC的产电性能
5.2.4 不同FEP空气阴极MFC的产电性能与运行稳定性
5.3 填料型非铂催化空气阴极的研究
5.3.1 填料型非铂催化空气阴极MFC的搭建
5.3.2 不同阴极填料的MFC产电性能
5.3.3 活性炭和活性半焦质量对MFC产电性能的影响
5.4 本章小结
第6章 空气型微生物燃料电池构型优化
6.1 基于碳布阳极微生物燃料电池构型优化
6.1.1 基于碳布阳极不同构型MFC的搭建
6.1.2 不同构型碳布阳极MFC的产电性能
6.1.3 双侧三合一MFC的运行稳定性
6.2 基于碳刷阳极微生物燃料电池构型优化
6.2.1 基于碳刷阳极不同构型MFC的搭建
6.2.2 不同构型碳刷阳极MFC的产电性能
6.2.3 碳刷阳极与碳布阳极MFC的性能比较
6.3 本章小结
第7章 结论与建议
7.1 结论
7.2 建议
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国城市污水处理厂能耗规律的统计分析与定量识别[J]. 杨凌波,曾思育,鞠宇平,何苗,陈吉宁. 给水排水. 2008(10)
[2]无介体微生物燃料电池的研究进展[J]. 黄霞,梁鹏,曹效鑫,范明志. 中国给水排水. 2007(04)
[3]产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J]. 洪义国,郭俊,孙国萍. 微生物学报. 2007(01)
[4]“三合一”微生物燃料电池的产电特性研究[J]. 曹效鑫,梁鹏,黄霞. 环境科学学报. 2006(08)
博士论文
[1]微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工业大学 2010
[2]微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D]. 曹效鑫.清华大学 2009
本文编号：2944920
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.2 微生物燃料电池基本原理及构型
1.2.1 微生物燃料电池的基本原理
1.2.2 产电微生物胞外电子传递机理
1.2.3 微生物燃料电池构型概述
1.2.4 空气型微生物燃料电池优势与不足
1.3 微生物燃料电池分隔材料研究进展
1.3.1 荷电性分隔材料
1.3.2 非荷电性分隔材料
1.4 微生物燃料电池空气阴极研究进展
1.4.1 阴极在MFC中的重要性
1.4.2 空气阴极催化剂
1.4.3 空气阴极扩散层优化
1.5 研究目的和研究内容
1.5.1 研究目的
1.5.2 研究内容
第2章 空气型微生物燃料电池的构建与性能评价方法
2.1 微生物燃料电池的构建
2.1.1 空气阴极的制作
2.1.2 阳极及预处理
2.1.3 反应器组装
2.2 微生物燃料电池的启动、运行与数据采集
2.2.1 反应器的启动与运行
2.2.2 电压数据的采集
2.3 微生物燃料电池的性能评价
2.3.1 极化曲线与功率密度曲线
2.3.2 库仑效率的测定与计算
2.3.3 交流阻抗谱法
2.3.4 线性扫描伏安法
2.3.5 循环伏安法
2.4 材料表征、生物学方法与其它测试方法
2.4.1 扫描电子显微镜
2.4.2 生物量的测定
2.4.3 细菌16S rRNA克隆文库及评估方法
2.4.4 溶解氧的测定
第3章 空气型微生物燃料电池分隔材料特性与优选
3.1 微生物燃料电池分隔材料特性的表征
3.1.1 分隔材料内阻、质子传递性能以及氧气传质性能
3.1.2 空气型MFC在无分隔材料下启动
3.1.3 分隔材料在空气型MFC中的产电性能
3.2 非荷电性分隔材料孔径对微生物燃料电池产电的影响
3.2.1 不同孔径尼龙和玻璃纤维滤膜的材料特性
3.2.2 不同孔径尼龙作为分隔材料的产电性能
3.2.3 不同孔径玻璃纤维滤膜的产电性能
3.2.4 功率密度与库仑效率间的关系
3.3 荷电性分隔材料特性与调控
3.3.1 阴、阳离子交换膜在MFC中的产电性能与形变
3.3.2 采用不锈钢网控制膜材料形变下的MFC产电性能
3.3.3 膜材料对MFC中溶液的pH值和电导率的影响
3.4 本章小结
第4章 玻璃纤维分隔材料对空气型微生物燃料电池启动和产电的影响
4.1 玻璃纤维分隔材料在不同温度下对微生物燃料电池启动的影响
4.1.1 有/无分隔材料下MFC启动阶段的电压输出
4.1.2 有/无分隔材料下MFC产电性能
4.2 玻璃纤维分隔材料在不同温度下对阳极性能的影响
4.2.1 长期运行阳极电势变化
4.2.2 阳极的循环伏安特性
4.2.3 阳极的阻抗谱特性与内阻
4.2.4 阳极微生物对温度的适应性
4.2.5 阳极微生物量对阳极性能的影响
4.2.6 阳极微生物群落结构分析
4.3 玻璃纤维分隔材料对阴极氧气传质及阴极生物膜特性的影响
4.3.1 新、旧分隔材料与阴极的氧气传质特性
4.3.2 实际MFC运行中溶解氧溶度
4.3.3 阴极与分隔材料上的生物膜
4.4 本章小结
第5章 空气阴极优化研究
5.1 空气阴极碳布防水比例与扩散层层数优化研究
5.1.1 不同碳布防水比例及不同扩散层层数空气阴极的制备
5.1.2 不同碳布防水比例及不同扩散层层数空气阴极MFC产电性能
5.1.3 空气阴极的线性扫描伏安特性
5.1.4 空气阴极氧气传质性能与功率密度之间的关系
5.2 FEP替代PTFE作为防水与扩散层材料的研究
5.2.1 FEP替代PTFE空气阴极的制备
5.2.2 低防水比例碳布FEP扩散层空气阴极MFC的产电性能
5.2.3 中高防水比例碳布FEP扩散层空气阴极MFC的产电性能
5.2.4 不同FEP空气阴极MFC的产电性能与运行稳定性
5.3 填料型非铂催化空气阴极的研究
5.3.1 填料型非铂催化空气阴极MFC的搭建
5.3.2 不同阴极填料的MFC产电性能
5.3.3 活性炭和活性半焦质量对MFC产电性能的影响
5.4 本章小结
第6章 空气型微生物燃料电池构型优化
6.1 基于碳布阳极微生物燃料电池构型优化
6.1.1 基于碳布阳极不同构型MFC的搭建
6.1.2 不同构型碳布阳极MFC的产电性能
6.1.3 双侧三合一MFC的运行稳定性
6.2 基于碳刷阳极微生物燃料电池构型优化
6.2.1 基于碳刷阳极不同构型MFC的搭建
6.2.2 不同构型碳刷阳极MFC的产电性能
6.2.3 碳刷阳极与碳布阳极MFC的性能比较
6.3 本章小结
第7章 结论与建议
7.1 结论
7.2 建议
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国城市污水处理厂能耗规律的统计分析与定量识别[J]. 杨凌波,曾思育,鞠宇平,何苗,陈吉宁. 给水排水. 2008(10)
[2]无介体微生物燃料电池的研究进展[J]. 黄霞,梁鹏,曹效鑫,范明志. 中国给水排水. 2007(04)
[3]产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J]. 洪义国,郭俊,孙国萍. 微生物学报. 2007(01)
[4]“三合一”微生物燃料电池的产电特性研究[J]. 曹效鑫,梁鹏,黄霞. 环境科学学报. 2006(08)
博士论文
[1]微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D]. 王鑫.哈尔滨工业大学 2010
[2]微生物燃料电池中产电菌与电极的作用机制及其应用[D]. 曹效鑫.清华大学 2009
本文编号：2944920
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