电极材料及催化剂对微生物燃料电池处理老龄垃圾渗滤液性能影响

摘要

垃圾渗滤液中含有大量的有机污染物、氮化合物、磷化合物、重金属离子等，若不加以处理，将会对土壤资源、水资源安全等造成严重影响。而老龄垃圾渗滤液与年轻垃圾渗滤液相比，成分更为复杂，可生化性也更差，难于降解，是污水废水处理的难点。微生物燃料电池(MFC)能在产电的同时实现废水处理，成为一种新型的污水处理技术。生物阴极型MFC阴极室和阳极室均以微生物为催化剂，且都具有污染物去除能力，能在降低MFC构建成本的同时有效提高污染物去除能力，成为老龄垃圾渗滤液处理的新方向。本文以碳毡和碳布为电极材料、老龄垃圾渗滤液为阳极底物构建了双室生物阴极型 MFC，考察了电极材料种类对 MFC产电性能和老龄垃圾渗滤液主要污染物去除效果的影响，获得性能最佳的电极材料组合；同时，以不同载量的 MnO2/rGO、Pt/C修饰阴极电极构建了MFC，考察了不同阴极催化剂修饰MFC对其产电性能以及老龄垃圾渗滤液中主要污染物去除效果的影响，获得成本低廉、性能更优的MFC阴极催化剂。
　　电极材料是影响MFC性能的重要因素。碳毡阳极碳毡阴极、碳毡阳极碳布阴极、碳布阳极碳毡阴极、碳布阳极碳布阴极MFC的输出电压分别为275、249、294和259 mV，最大功率密度分别为87.00、71.62、95.31和78.70 mW/m3，内阻分别为347、332、325和308Ω，化学需氧量（COD）去除率分别为48.07％、45.93%、58.78%和53.64%，氨氮（NH3-N）去除率分别为54.00%、47.99%、74.38%和63.83%；上述结果显示出，阳极材料相同时，碳毡阴极MFC产电性能和老龄垃圾渗滤液中污染物去除效果好于碳布阴极 MFC，阴极材料相同时，碳布阳极 MFC产电性能和老龄垃圾渗滤液中污染物去除效果好于碳毡阳极 MFC；阴极材料是影响 MFC电压及功率密度的主要因素，阳极材料是影响MFC污染物去除效果的主要因素。
　　阴极反应特性是影响MFC性能的重要因素。阴极未负载催化剂MFC及阴极分别由0.5 mg/cm2 MnO2/rGO、1.0 mg/cm2 MnO2/rGO和0.5 mg/cm2 Pt/C修饰的三个MFC，输出电压分别为322、351、372和384mV，最大功率密度分别为102、143、194和217 mW/m3，内阻分别为396、310、264和239Ω，COD去除率分别为47.61%、53.32%、58.68%和61.66%，NH3-N去除率分别为72.69%、75.42%、76.64%和78.64%；与阴极未负载催化剂的MFC相比，阴极负载催化剂的MFC产电性能及对老龄垃圾渗滤液中污染物去除效果均有提高，表明 MnO2/rGO可作为改善MFC性能的阴极催化剂。当MnO2/rGO载量为1.0 mg/cm2时MFC的输出电压较阴极未负载催化剂MFC高50 mV，最大功率密度提升90.2%（接近一倍）， COD去除率提高了23.3%；1.0 mg/cm2 MnO2/rGO修饰的 MFC的产电性能和污染物去除效果与0.5 mg/cm2 Pt/C修饰的 MFC接近，但构建成本却大大降低，说明MnO2/rGO是成本低廉且性能优质的MFC催化剂。

目录

1 绪 论

1.1选题背景与意义

1.2研究现状

1.3论文的研究内容与方法

2 实验材料与方法

2.1 实验仪器与试剂

2.2实验装置与材料

2.3测试分析方法

3 电极材料对微生物燃料电池处理老龄垃圾渗滤液性能的影响

3.1 概述

3.2 实验

3.3电极材料对微生物燃料电池产电特性的影响

3.4电极材料对微生物燃料电池垃圾渗滤液处理效果的影响

3.5本章小结

4 阴极催化剂对微生物燃料电池处理老龄垃圾渗滤液性能的影响

4.1 概述

4.2 催化剂修饰阴极电极的制备

4.3 实验

4.4阴极催化剂对微生物燃料电池产电特性的影响

4.5阴极催化剂对微生物燃料电池垃圾渗滤液处理效果的影响

4.6本章小结

5 结论与建议

5.1结论

5.2 建议

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的基金项目