基于氧化还原电子中介体产电的MFC数值模拟及模型开发

摘要

MFC是近几年在环境及能源领域高速发展的新型能源技术,但当前MFC研究方向主要集中在以下两方面:1.提高MFC内产电微生物活性;2.探寻更高效的MFC构型。而针对MFC机理及内部运行规律研究较少,本论文以数值模拟的方法研究MFC运行机理及内部规律,通过数值模拟,阐释MFC运行机理,对提高MFC产电效能提供模型支持。
　　模型以MFC中普遍存在的氧化还原电子中介体作为电子传递途径,通过联立微生物代谢计量学方程,物质传质菲克扩散方程,微生物代谢速率方程,电化学过电位方程,全电路欧姆定律方程等,综合模拟了MFC运行过程中物质传质、新陈代谢、能量转移、电化学反应及电能损失等因素,建立了一个合适的MFC数值模拟模型建立方法。
　　根据输出电流随运行时间衰减状态,将不同外电阻条件下MFC运行输出电流变化规律分为三类,并通过比对有机底物浓度、电极表面氧化还原电子中介体形态随时间改变情况,总结出造成MFC输出电流变化的核心因素是氧化态电子中介体浓度改变不能弥补有机底物浓度降低所导致的体系微生物活性总体下降。当MFC内产电微生物总体代谢活性下降并出现产电衰减时,电极表面还原态电子中介体浓度会降至10-2mmol/L以下。这可以作为快速判断MFC内部氧化态电子中介体缓冲能力是否达到极限的快速判断标准。
　　体系阳极面积增大,虽然有助于提高MFC产电能力,但单位面积产电微生物代谢活力却下降,这可能导致产电微生物与非产电种群竞争时处于不利地位。当电子中介体分子变小,扩散能力提高时,体系产电能力得到了明显提高,这为寻找具有更优产电性的电子中介体提供了模型支持。
　　电子中介体浓度和热力学性质也影响MFC体系的产电能力,体系总体电子中介体浓度增加,可供电极反应的还原态电子中介体浓度增加,同时潜在的氧化态电子中介体缓冲能力也相应提高。MFC系统随电子中介体浓度增加,产电输出能力得到提升,且输出能力随时间进行更趋向于保持稳定;在MFC体系中,电子中介体热力学性质可通过电极氧化还原标准电势进行表征,当电子中介体热力学推动力增加时,MFC体系产电能力相应增加,为探讨电子中介体热力学性质对体系运行影响建立了模型研究方法。

目录

基于氧化还原电子中介体产电的MFC 数值模 拟及模型开发

MODEL DEVELOPMENT AND NUMERICAL SIMULATION OF MICROBIAL FUEL CELL BASED ON REDOX MEDIATOR

摘 要

目 录

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 MFC运行机理

1.3数值模拟在生物反应器模拟研究现状

1.4 微生物燃料电池模拟研究现状

1.5模型研究目的及内容

1.6研究技术路线

第2章 数值模型建立理论与程序化实现

2.1 数值模型数理基础

2.2模型数理方程程序化

第3章 MFC连续运行模拟

3.1 引言

3.2 MFC运行模拟

3.3 MFC物质组分时间及空间分布模拟

3.4 MFC模型与实际运行数据比较

3.5本章小结

第4章 基于电子中介体的MFC产电关键因素影响机制的模拟研究

4.1 引言

4.2 模型研究产电关键因素的数学方法

4.3 阳极面积对MFC产电影响

4.4扩散系数对体系产能的影响

4.5 电子中介体浓度及热力学性质对体系产能影响

4.6本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致 谢