生物阴极微生物燃料电池阴极材料筛选与反应器运行

摘要

微生物燃料电池（MFC）具有处理废水的功能同时也是一项新能源技术，现在已经成为研究热点。由于生物阴极 MFC构造和运行费用较低，具有更优越的可持续发展性，现在已经引起了很多研究学者的兴趣。
　　本论文主要设计新型升流式管状生物阴极 MFC反应器。经过交流阻抗测试，欧姆内阻仅为0.41?，说明该反应器设计合理。另外阳极电子转移内阻为1.18Ω，阴极电荷传递内阻13.11?，全电池电荷转移内阻14.8?，阴极的扩散内阻为0.26?。说明生物阴极电池性能阻力在于阴极的电荷转移内阻过大，这也是微生物燃料电池提高反应器功率的瓶颈。
　　在阴极材料研究方面，试采用廉价材料泡沫镍作为阴极材料，首先利用两室MFC系统验证泡沫镍作为阴极材料的可行性。最高输出电流达到1.7mA，最大输出功率密度为4W/m3。在升流式管状生物阴极MFC反应器中，继续采用泡沫镍作为阴极材料。最高输出电流达到4.5mA，最大输出功率密度2.9W/m3。为了提高MFC性能，采用电化学方法在泡沫镍表面电镀二氧化锰，最高输出电流可以达到5.5mA。为了更好的优化阴极材料，接下来在泡沫镍表面涂抹PTFE和碳粉，反应器输出电流值达到6.5mA。
　　试采用活性炭颗粒作为生物阴极MFC的阴极材料，考察了进水浓度和阳极回流比度对MFC性能的影响。经过反应器优化，输出电流从最初的30mA增长到50mA。最高功率密度可达17W/m3。

目录

生物阴极微生物燃料电池阴极材料筛选与反应器运行

The Selection of Biocathode Materials in Bio-cathode Microbial Fuel Cells and Reactor Operation

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 MFC的产电机理

1.3 国内外研究现状分析

1.3.1 MFC发展简史

1.3.2 反应器构型发展

1.3.3 生物阴极和材料研究

1.4 MFC的应用研究

1.4.1 有机废水发电

1.4.2 微生物燃料电池产氢

1.4.3 生物传感器

1.4.4 生物修复

1.5 课题来源及主要研究内容

1.5.1 课题来源

1.5.2 主要研究内容

第2章 实验方法与材料

2.1 生物阴极微生物燃料电池的构建和启动

2.1.1 实验技术路线

2.1.2 反应器的结构设计

2.1.3 材料预处理

2.1.4 反应器的接种与启动

2.2 分析与测量方法

2.2.1 反应器输出电压值的实时监测和记录

2.2.2 COD和库仑效率的计算方法

2.2.3 极化曲线和功率曲线的测量方法

2.2.4 反应器内阻的构成和分析方法

2.2.5 扫描电镜分析步骤

第3章 以泡沫镍为阴极材料的生物阴极MFC

3.1 两室泡沫镍生物阴极MFC

3.1.1 两室泡沫镍生物阴极MFC可行性

3.1.2 两室泡沫镍生物阴极MFC功率密度

3.1.3 两室泡沫镍生物阴极MFC交流阻抗与内阻分布

3.2 升流式泡沫镍生物阴极MFC

3.2.1 升流式泡沫镍生物阴极MFC构型与设计

3.2.2 升流式泡沫镍生物阴极MFC的产电特性

3.2.3 升流式泡沫镍生物阴极MFC电化学交流阻抗与内阻分布

3.2.4 升流式泡沫镍生物阴极MFC产电过程分析

3.3 电镀二氧化锰泡沫镍生物阴极MFC

3.3.1 电极改良与制备方法

3.3.2 电镀二氧化锰泡沫镍生物阴极MFC的产电特性

3.3.3 电镀二氧化锰泡沫镍生物阴极MFC产电过程分析

3.4 涂有PTFE+炭粉的泡沫镍生物阴极MFC

3.4.1 电极制备方法

3.4.2 涂有PTFE+碳粉泡沫镍生物阴极MFC的产电特性

3.4.3 涂有PTFE+碳粉泡沫镍生物阴极MFC产电过程分析

3.5 本章小结

第4章 以活性炭颗粒为阴极材料的生物阴极MFC

4.1 以活性碳作为阴极材料的生物阴极MFC可行性

4.1.1 反应器构型与设计

4.1.2 可行性分析

4.2 反应条件的优化

4.2.1 进水COD对MFC的影响

4.2.2 阳极回流比对MFC性能的影响

4.3 最优状态下的电化学参数

4.3.1 极化曲线

4.3.2 升流式活性炭生物阴极MFC电化学交流阻抗与内阻分布

4.4 活性炭生物阴极MFC产电过程分析

4.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢