阳极结构对微生物燃料电池性能影响及阳极传质特性研究

摘要

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是以微生物作为催化剂,将废水中蕴含的化学能转化为电能的新型生物能源利用技术。MFC不仅原料来源广泛,反应条件温和,且具有不污染环境等特点,具有广阔的应用前景。然而MFC输出功率较低,成为制约其发展的瓶颈。阳极是细菌附着、底物氧化和电子传递的场所,因而是决定电池产电的关键因素之一。探索和研究改善阳极性能、提高微生物燃料电池性能的方法和手段,分析相关科学机制等研究工作具有重要的学术意义和工程应用价值。
　　本文以微生物燃料电池技术为背景,针对阳极材料及结构、电池构型等关键问题,研究了不同阳极材料、结构尺寸以及组合阳极形式等对阳极微生物附着、电化学特性及电池启动和运行性能的影响;通过高温热处理及超声处理等手段考察了阳极电极材料的循环再利用性能;考虑双室MFC的传质特性,优化了电池构型,并研究了电池尺寸及阳极材料对双筒型MFC性能的影响;此外,针对无电子介体MFC,构建了不同构型电池内底物在生物膜内传输降解模型及阳极室内传输模型,预测了不同条件下阳极室内的底物浓度分布、底物降解效率以及电池的电流密度。得到的主要研究成果如下:
　　(1)对比研究了碳布和碳刷作为矩形MFC阳极材料时电池性能的差异,同时提出了制作结构化碳刷的方法,并采用该方法制作了不同质量/长度比(M/L)的碳刷电极,研究了碳刷阳极的M/L对矩形MFC性能的影响。结果表明,碳刷阳极的电池功率密度是碳布阳极的1.6倍;碳刷阳极的M/L对于碳纤维上细菌分布、附着的活性生物量及生物膜的电化学活性等有着重要的影响。随着M/L的降低,单位碳纤维质量活性生物量和功率密度随之增大。但当M/L<0.024gmm-1时,单位碳纤维质量活性生物量和功率密度保持不变,这是由于碳刷上碳纤维的表面利用率达到饱和的缘故;
　　(2)构建了碳颗粒、碳刷、碳颗粒-不锈钢网及碳颗粒-碳刷复合阳极电极,考察了阳极结构形式对矩形MFC中微生物附着、电化学特性及电池启动和运行性能的影响。结果表明:由于内部布置的扩展碳刷有效地改善了碳颗粒的内部连接,因此碳颗粒-碳刷复合电极的阳极阻抗最低、附着的生物量最多,其电池功率密度最高,达到47.7±0.5Wm-3,相比与碳颗粒-不锈钢网,碳刷和碳颗粒电极,分别提高了57％,26%和135%;
　　(3)针对MFC中已用碳刷电极的再利用问题,对已用过碳刷电极分别进行了高温处理及高温和超声两步处理,考察了不同处理方法对采用处理电极的矩形MFC电池性能的影响。结果表明:高温处理是实现碳刷电极重复利用的有效方法。相比采用旧电极的电池,高温处理后的碳刷阳极其电池启动加快、启动完成后的电池电压提高,阳极阻抗更小,阳极上附着的生物量增多,因此电池功率密度从已用过碳刷电极的30.0±0.6Wm-3增加为处理后的42.2±0.6Wm-3,并达到新碳刷阳极MFC的85%;
　　(4)对比研究了矩形和双筒型MFC在启动过程、阳极上附着的生物量、生物膜的电化学活性、电池阻抗以及电池性能等方面的差异;同时考察了三种不同阳极材料下大尺寸双筒型MFC性能的影响。结果表明:双筒型MFC电池的性能较高;采用碳颗粒-碳刷复合阳极的大尺寸双筒型MFC的最大功率密度为66.9±1.6Wm-3,分别为采用碳刷和碳颗粒阳极的1.2和3.0倍。这可归结于该型式电极上附着的生物量最多和电池阻抗最低的缘故;不同外电阻下,采用碳颗粒-碳刷阳极的大尺寸双筒型MFC的功率密度与进口乙酸钠底物的浓度呈Monod关系,并在乙酸钠浓度为500mgCODL-1时达到饱和。
　　(5)分别针对碳布阳极矩形MFC的阳极室和碳刷阳极双筒型MFC的阳极室,建立了底物在生物膜内降解传输模型和阳极室内传输模型。计算结果表明:阳极电势越高,生物膜内生化与电化学反应速率越大,生物膜内底物浓度越低,底物降解效率越高,产生的电流密度越大。进口底物流量越大,底物在阳极室内水力停留时间越短,底物降解效率越低;单位时间内底物传质通量越大,底物消耗速率随之增大,因此产生的电流密度随之增大;而进一步增加进口底物流量,底物消耗速率增大的趋势变缓,产生的电流密度也趋于平稳。此外,针对碳刷阳极的模型,假定碳纤维上生物膜厚度保持不变,分别就碳刷长度和碳纤维质量对产生电流密度的影响进行了模拟预测。结果表明,电流密度与碳刷长度和碳纤维质量的变化均呈线性增加的趋势。

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符号说明

1 绪 论

1.1 前言

1.2 微生物燃料电池简介

1.3 MFC研究现状

1.4 本课题的主要工作

2 MFC实验装置及实验方法

2.1引言

2.2 MFC反应器结构设计及运行方式

2.3 MFC主要材料的选择和制备

2.4电解液的配置及其物性

2.5 MFC性能参数及实验方法

2.6 本章小结

3 阳极材料及结构对MFC产电性能的影响

3.1 引言

3.2不同阳极材料MFC产电性能研究

3.3 碳刷结构对MFC性能的影响

3.4运行参数对碳刷阳极MFC的影响

3.5 碳颗粒-碳刷复合电极的构建及性能

3.6 碳刷电极的重复利用性能研究

3.7 本章小结

4 电池构型及尺寸对MFC产电性能的影响

4.1 引言

4.2电池构型对MFC性能的影响

4.3 电池尺寸对双筒型MFC性能的影响

4.4 大尺寸双筒型MFC产电性能研究

4.5 本章小结

5 碳布阳极矩形MFC阳极室内传输模拟

5.1 引言

5.2 模型的建立

5.3模型求解

5.4 结果与讨论

5.5 本章小结

6 碳刷阳极双筒型MFC阳极室内传输模型

6.1引言

6.2 模型的建立

6.3 模型求解

6.4 结果与讨论

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 本论文主要结论

7.2 后续工作展望

本文创新点简介

致谢

参考文献

附录