微生物燃料电池堆内电池反极机理及产氢反应器耦合系统研究

摘要

能源与环境问题是21世纪人类共同面临的两大难题，随着全球经济快速发展的同时水污染问题也越发严重，而传统的污水处理方法需要消耗大量的电能来处理污水。微生物燃料电池技术（MFC）相比于传统的污水处理方法来说，是一种新型的污水处理装置，同时具备污水处理与同步产电两个功能，能够将对水资源以及经济发展造成极大负面影响的有机废水转变为人类所需的电能，在解决环境问题的同时产生一定的经济效益，是一种极有前景的可再生能源。
　　然而，单个MFC的电压较小，其开路电压约为0.8V，工作电压仅为0.5V左右，使得MFC的工程应用之路受阻。本文对小电阻启动条件下的MFC电堆反极问题进行研究，实验研究表明反极现象在MFC电堆中普遍存在。我们又构建了MFCs-MEC的耦合系统，并对MFC电堆性能与MEC产氢性能之间的相互关系进行了研究，最后我们根据单室MFC的pH调节特性，构建了序批式光合产氢反应器与空气阴极单室MFC电堆耦合系统，并对单室MFC电堆与光合产氢反应器的产氢性能的关系进行了研究。本文得出的主要结论如下：
　　1)MFC电堆驱动电池阴极反极产氢研究本文构建了小电阻启动条件下的MFC电堆，并对MFC电堆的性能进行研究，移除发生反极的电池，再对剩余MFC组成的MFC电堆性能进行研究。研究结果表明：小电阻启动条件下的MFC电堆在大电流条件下会出现反极，阳极生物膜内H+离子传输受限是MFC发生反极的原因，剔除反极MFC之后的MFC电堆依然会发生反极。
　　2)MFC电堆与MEC耦合系统研究本文构建了MFC电堆与MEC耦合系统，并对其产氢性能进行研究，再对MFC电堆与MEC耦合系统的产氢性能进行研究。研究结果表面：4MFC-MEC系统的产氢速率、氢气回收利用率以及底物利用率均为最高，分别为23.1ml/L/D，54.35mLH2/gsubstrate，0.28g/L。
　　3)光合产氢-微生物燃料电池电堆耦合系统研究本文构建了序批式光合产氢反应器(PBR)电堆耦合系统，研究结果表面：耦合系统中单室MFC有利于缓解PBR的底物酸化问题，耦合系统中的MFC有利于维持系统较高的pH值，缓解PBR的底物酸化问题。耦合系统中的MFC可以大量降解光合制氢中产生的有机酸，有利于改善系统的底物抑制现象。耦合系统的产氢性能和葡萄糖降解率随MFC个数的增加而增加。PBR-3MFCs系统产氢性能最佳，其单个序批循环的产氢量可达2.8mmol，较PBR系统提高了75.0％。

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1 绪 论

1.1 前言

1.2微生物燃料电池的简述

1.3 MFC电堆的国内外研究现状

1.4 MFC电堆的应用

1.5已有研究工作的不足

1.6本文研究内容

2 MFC的实验装置及方法

2.1引言

2.2微生物燃料电池与微生物电解池中材料的选择与制备

2.3反应器的结构设计

2.4评价指标及测量方法

3 微生物燃料电池电堆中的反极现象

3.1引言

3.2微生物燃料电池电堆的启动与构建

3.3 五个MFC组成的电堆反极特性

3.4 其他MFC电堆的反极特性

3.5本章小结

4 微生物燃料电池堆与微生物电解池耦合产氢系统

4.1 引言

4.2微生物燃料电池电堆与微生物电解池耦合系统的启动与构建

4.3微生物燃料电池电堆驱动微生物电解池产氢时的放电特性

4.4微生物燃料电池电堆与微生物电解池耦合系统产氢性能

4.5本章小结

5 光合产氢-微生物燃料电池耦合系统产氢性能提高

5.1引言

5.2 耦合系统的构成与启动

5.3 PBR-MFC系统中的葡萄糖

5.4 MFC电堆降解系统中的有机酸

5.5 MFCs电堆的pH调节功能

5.6 PBR-MFCs各系统中MFC电堆的产电特性

5.7 PBR-MFC各系统中PBR产氢性能指标对比

5.8本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利

C. 作者在攻读硕士学位期间获得的荣誉