微生物燃料电池廉价填料型电极材料的研究
发布时间：2022-02-21 13:33
微生物燃料电池（Microbialfuelcell，MFC）能够在处理污水的同时将污水中蕴含的化学能转化为电能，是一种低能耗的水处理技术，近年来成为环境领域的研究热点。目前制约MFC实际应用的主要因素是成本过高和产电性能偏低。由于电极成本在MFC总成本中所占比例最大，同时电极性能也是决定MFC性能的关键，因此降低电极成本和优化电极性能对于MFC的实用化具有重要意义。本文以推进MFC实用化为目标，筛选用于阳极和生物阴极的廉价填料型电极材料，通过电极材料特性和构型的优化提高其产电性能，并将其应用于放大的MFC装置。本研究选择廉价的半焦和活性炭与传统的石墨和碳毡电极材料进行产电性能对比。用于阳极时，活性炭产电性能最好，半焦较差。导电性过低是限制半焦阳极性能的主要因素。生物量、群落结构以及材料物理特性的测试结果表明，比表面积较大的阳极材料有利于产电菌Geobactersulfurreducens的附着生长。用于阴极时，半焦的性能仅次于活性炭。生物阴极的性能受生物催化和化学催化性能的共同影响。比表面积大的材料不仅有利于产电微生物的附着生长，而且具有较好的化学催化性能。无论用于阳极和生物阴极，半焦...
【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】：125 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 微生物燃料电池
1.2.1 基本原理和分类
1.2.2 微生物燃料电池的关键问题
1.2.3 微生物燃料电池的发展方向
1.3 电极材料及构型
1.3.1 阳极材料及构型
1.3.2 阴极材料及构型
1.4 电极特性的优化与调控
1.4.1 电极材料改性
1.4.2 电极电势调控
1.5 MFC 电极研究展望
1.5.1 成本降低
1.5.2 特性优化
1.5.3 构型优化
1.6 研究目的与内容
1.6.1 研究目的
1.6.2 研究内容
1.6.3 技术路线图
第2章 廉价填料型电极材料的筛选
2.1 试验材料与方法
2.1.1 电极材料的准备与特性表征
2.1.2 反应器的搭建与运行方式
2.1.3 MFC 性能参数测试
2.1.4 水质指标的测定
2.1.5 生物量的测定
2.1.6 群落结构分析
2.2 活性炭电极材料的初步筛选
2.3 电极材料物理特性
2.4 阳极材料筛选
2.4.1 产电性能
2.4.2 生物量及群落结构
2.4.3 库仑效率及 COD 去除率
2.4.4 经济性评价
2.5 生物阴极材料的筛选
2.5.1 产电性能
2.5.2 生物量及群落结构
2.5.3 无微生物时的阴极性能对比
2.5.4 经济性评价
2.6 本章小结
第3章 电极材料的改性与电极电势调控
3.1 试验材料与方法
3.1.1 半焦改性及性能评价试验
3.1.2 电极电势调控
3.1.3 测试分析方法
3.2 改性半焦电极的产电性能与分析
3.2.1 产电性能
3.2.2 电极材料特性
3.2.3 阴阳极生物量和阴极的化学催化性能
3.2.4 库仑效率和 COD 去除率
3.3 电极电势调控效果及作用机制
3.3.1 阳极电势对产电性能和产电菌生长的影响
3.3.2 阳极电势对产电性能的影响机制
3.3.3 阳极电势对产电菌生长的影响机制
3.3.4 阳极电势对产电菌电子传递路径的影响
3.4 本章小结
第4章 填料型活性焦电极的构型优化
4.1 试验材料与方法
4.1.1 反应器的搭建与运行方式
4.1.2 测试分析方法
4.2 不同电极厚度的 MFC 的启动
4.3 集电体位置对电极性能的影响
4.3.1 产电性能
4.3.2 库仑效率和 COD 去除率
4.4 集电体构型与电极厚度优化
4.4.1 产电性能
4.4.2 库仑效率和 COD 去除率
4.5 本章小结
第5章 活性焦电极在生物阴极型微生物燃料电池中的应用
5.1 试验材料与方法
5.1.1 两段式生物阴极 MFC 的工艺设计与反应器的搭建
5.1.2 反应器的启动与运行策略
5.1.3 分析测试方法
5.2 反应器的启动
5.2.1 启动速度
5.2.2 间歇运行条件下的产电性能
5.3 连续运行条件下的产电及水处理性能
5.3.1 产电性能
5.3.2 运行参数的优化
5.3.3 COD 去除情况
5.3.4 氨氮和总氮去除情况
5.4 运行稳定性及电极堵塞后的对策
5.5 本章小结
第6章 结论与建议
6.1 结论
6.2 建议
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]“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)
[2]改性半焦烟气脱硫的研究[J]. 沈芳,上官炬,李春虎,张振荣. 太原理工大学学报. 2003(03)
[3]饮用水生物处理中生物量的脂磷法测定[J]. 于鑫,张晓键,王占生. 给水排水. 2002(05)
博士论文
[1]微生物燃料电池能量特性研究[D]. 张培远.北京工业大学 2011
[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
硕士论文
[1]活化半焦处理港口含油废水的研究[D]. 周琼.中国海洋大学 2009
本文编号：3637358
【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】：125 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 微生物燃料电池
1.2.1 基本原理和分类
1.2.2 微生物燃料电池的关键问题
1.2.3 微生物燃料电池的发展方向
1.3 电极材料及构型
1.3.1 阳极材料及构型
1.3.2 阴极材料及构型
1.4 电极特性的优化与调控
1.4.1 电极材料改性
1.4.2 电极电势调控
1.5 MFC 电极研究展望
1.5.1 成本降低
1.5.2 特性优化
1.5.3 构型优化
1.6 研究目的与内容
1.6.1 研究目的
1.6.2 研究内容
1.6.3 技术路线图
第2章 廉价填料型电极材料的筛选
2.1 试验材料与方法
2.1.1 电极材料的准备与特性表征
2.1.2 反应器的搭建与运行方式
2.1.3 MFC 性能参数测试
2.1.4 水质指标的测定
2.1.5 生物量的测定
2.1.6 群落结构分析
2.2 活性炭电极材料的初步筛选
2.3 电极材料物理特性
2.4 阳极材料筛选
2.4.1 产电性能
2.4.2 生物量及群落结构
2.4.3 库仑效率及 COD 去除率
2.4.4 经济性评价
2.5 生物阴极材料的筛选
2.5.1 产电性能
2.5.2 生物量及群落结构
2.5.3 无微生物时的阴极性能对比
2.5.4 经济性评价
2.6 本章小结
第3章 电极材料的改性与电极电势调控
3.1 试验材料与方法
3.1.1 半焦改性及性能评价试验
3.1.2 电极电势调控
3.1.3 测试分析方法
3.2 改性半焦电极的产电性能与分析
3.2.1 产电性能
3.2.2 电极材料特性
3.2.3 阴阳极生物量和阴极的化学催化性能
3.2.4 库仑效率和 COD 去除率
3.3 电极电势调控效果及作用机制
3.3.1 阳极电势对产电性能和产电菌生长的影响
3.3.2 阳极电势对产电性能的影响机制
3.3.3 阳极电势对产电菌生长的影响机制
3.3.4 阳极电势对产电菌电子传递路径的影响
3.4 本章小结
第4章 填料型活性焦电极的构型优化
4.1 试验材料与方法
4.1.1 反应器的搭建与运行方式
4.1.2 测试分析方法
4.2 不同电极厚度的 MFC 的启动
4.3 集电体位置对电极性能的影响
4.3.1 产电性能
4.3.2 库仑效率和 COD 去除率
4.4 集电体构型与电极厚度优化
4.4.1 产电性能
4.4.2 库仑效率和 COD 去除率
4.5 本章小结
第5章 活性焦电极在生物阴极型微生物燃料电池中的应用
5.1 试验材料与方法
5.1.1 两段式生物阴极 MFC 的工艺设计与反应器的搭建
5.1.2 反应器的启动与运行策略
5.1.3 分析测试方法
5.2 反应器的启动
5.2.1 启动速度
5.2.2 间歇运行条件下的产电性能
5.3 连续运行条件下的产电及水处理性能
5.3.1 产电性能
5.3.2 运行参数的优化
5.3.3 COD 去除情况
5.3.4 氨氮和总氮去除情况
5.4 运行稳定性及电极堵塞后的对策
5.5 本章小结
第6章 结论与建议
6.1 结论
6.2 建议
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]“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)
[2]改性半焦烟气脱硫的研究[J]. 沈芳,上官炬,李春虎,张振荣. 太原理工大学学报. 2003(03)
[3]饮用水生物处理中生物量的脂磷法测定[J]. 于鑫,张晓键,王占生. 给水排水. 2002(05)
博士论文
[1]微生物燃料电池能量特性研究[D]. 张培远.北京工业大学 2011
[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
硕士论文
[1]活化半焦处理港口含油废水的研究[D]. 周琼.中国海洋大学 2009
本文编号：3637358
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