活性炭空气阴极MFCs产电优化及其在废水处理中的应用

摘要

伴随时代的进步，科技也在不断地向前发展，人类赖以生存的主要能源，也将逐渐地被耗尽。科技的发展，在带给人类许多方便的同时，环境污染随之加重，给人类带来了许多未知的危害。当前的中国，在抗生素的生产及使用上，数量十分可观。现如今，土壤、饮用水和各水生生物体内，都或多或少检测到抗生素类药物的存在。它的频繁出现，对生态环境和人体健康造成严重危害。另外，伴随有机化工厂和塑料制造厂未经处理的污水排入环境中的NB浓度很高。因其存在极大的致癌变的可能性，NB已被我国列为重点去除的污染物之一。传统方法处理有机污染物废水存在一定的缺陷，因此，开发环境友好的方法去除废水中有机污染物是十分值得期待的。此时，MFC作为一种新的废水处理技术被提出来。微生物燃料电池(MFC)通过产电菌的新陈代谢过程，将废水中的有机底物进行了氧化分解，同时，转变化学能为电能的一种新型的产电技术。根据MFC操作和功能上的优势，MFC的主要应用领域是发电和废水处理等方面。
　　本文从增加电压输出和废水处理两方面着手，探索串联提高MFC产电可能性，并以硝基苯、头孢唑啉钠为模拟污水底物，考察MFC中头孢唑啉钠与硝基苯的去除效果及其产电性能。本课题在构建微生物阳极燃料电池系统的基础上，通过测量和分析微生物燃料电池组的可控放电过程中输出电压及电极电势的变化，研究了MFC串联电池组的性能。研究结果发现:单个微生物燃料电池串联后形成的电池组电压增大，但由污泥混合菌源接种的微生物燃料电池系统在内阻、输出电压和放电时长等方面存在着不同程度的差异，个别电池会发生极性反转，出现负压值，降低电池组输出电压。通过保护装置的串联电路可以保护电池短时间内不会因发生电池反转而损坏电池。
　　以单室空气阴极MFC作为研究对象，以啤酒厂的污泥作为底料，加入不同浓度的头孢唑啉钠、硝基苯的培养液，通过观察MFC的阳极生物膜扫描电镜图，记录输出电压，来考察头孢唑啉钠、硝基苯对MFC阳极生物膜和电池性能的影响，初步了解抗生素、硝基苯对MFC在处理废水过程的影响。研究结果表明:头孢唑啉钠与硝基苯的存在，对微生物燃料电池的阳极生物膜产生了一定的抑制作用，一定浓度范围内对具有成熟阳极生物膜的电池影响不大，电池在保持较高产电功率的基础上可以有效去除较高浓度的有机污染物。即当通入电池中的硝基苯流速为1.2-14.7 mol·m-3·d-1时，电池产生的最大功率密度超过13.7 W·m-3，且硝基苯与苯胺也可以有效地去除;当废水中头孢唑啉钠的浓度低于100mg/L时，稳定MFC在保持输出电压为0.4 V以上的基础上，使得头孢唑啉钠的去除率达到80％左右。这与其他研究结果相比较而言，产电生物阳极与活性炭空气阴极组成的单室微生物燃料电池在产电和去除高浓度有机污染物的研究上，具有一定的优势。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 微生物燃料电池的概述

1．2．1 微生物燃料电池的发展历史

1．2．2 微生物燃料电池的工作原理

1．2．3 微生物燃料电池的分类

1．2．4 微生物燃料电池性能的影响因素

1．2．5 微生物燃料电池的应用

1．2．6 微生物燃料电池技术的展望

1．3 抗生素废水研究现状

1．3．1 抗生素废水的来源及特点

1．3．2 抗生素废水的处理方法

1．3．3 生物电化学系统处理抗生素废水的研究进展

1．4 硝基苯废水研究现状

1．4．1 硝基苯废水的来源及特点

1．4．2 硝基苯废水的处理方法

1．4．3 MFCs处理硝基苯废水的研究进展

1．5 本课题的研究意义及研究内容

1．5．1 研究目的和意义

1．5．2 主要的研究内容

1．5．3 本文研究的创新性

2．1 引言

2．2 实验材料与方法

2．2．1 实验装置及材料

2．2．2 实验试剂及仪器

2．2．3 电化学测量方法

2．2．4 COD测量方法

2．2．5 MFC阳极生物膜SEM测试方法

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 MFC的接种与启动

2．3．2 串联电路中单电池性能的差异

2．3．3 MFC串联电池组性能的考察

2．3．4 极性反转对电池性能的影响

2．3．5 断开反转电池(保护电路)对串联电路的影响

2．4 本章小结

第三章 AC空气阴极MFCs去除废水中硝基苯的研究

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．2．1 空气阴极单室微生物燃料电池(S-MFC)

3．2．2 铁氰化物阴极双室微生物燃料电池(D-MFC)

3．2．3 实验仪器与试剂

3．2．4 菌源

3．2．5 电极材料及制备方法

3．2．6 测试与分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 MFC接种启动与稳定运行

3．3．2 MFC的活化及对NB的适应阶段

3．3．3 NB的添加量对S-MFCs的影响

3．3．4 单室空气阴极MFCs对NB的去除

3．3．5 NB添加量对S-MFCs中生物阳极的影响

3．3．6 单室AC空气阴极MFCs的开发在NB废水处理中的意义

3．4 本章小结

第四章 AC空气阴极MFCs去除废水中头孢唑啉钠的研究

4．1 前言

4．2．1 实验装置及材料

4．2．2 实验仪器及实验试剂

4．2．3 电化学分析方法

4．2．4 生物膜蛋白质含量分析

4．2．5 生物膜扫描电镜分析

4．2．6 头孢唑啉钠紫外可见光谱分析方法

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 微生物燃料电池的接种与启动

4．3．2 S／L型MFC性能及生物膜的差异

4．3．3 不同头孢唑啉钠添加量对S／L型MFC电压-时间曲线的影响

4．3．4 不同头孢唑啉钠添加量对S／L型MFC循环伏安曲线的影响

4．3．5 不同头孢唑啉钠添加量对S／L型MFC输出功率的影响

4．3．6 S／L型MFC产电过程中对头孢唑啉钠的去除

4．3．7 L型MFC耐药性的研究

4．3．8 研究内容在抗生素废水处理中的应用

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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