微生物燃料电池内部传质及电化学性能模拟研究

摘要

微生物燃料电池(Microbial fuel cells，MFC)是近年来发展迅速且具有特殊意义的新型水处理技术。物质传递与电子转移是影响MFC产电性能的本质。研究MFC内部物质传递与生化反应机理显得尤为重要。目前，借助计算机采用数值模拟和分子模拟方法比采用试验的方法进行研究MFC内部传质和电化学反应机理，很显然是不错的方法。因此，本文建立了二维稳态、均匀流、液-固两相变化的MFC内部区域扩散、传质和生物化学反应的数学模型。并利用该模型对电池内的复杂反应过程进行了模拟分析，研究了生物膜厚度、生物量和底物浓度变化及其对MFC产电性能的影响。此外，在微观模拟方面，在课题模型上，又进一步引入了流体力学和空间分布理论，对微生物燃料电池阳极表面横向和纵向微观区域中的局部电流密度和生物量分布的关系进行了研究。这对于深入了解MFC在处理废水同时也能产电的机理具有重要的理论意义。
　　本文首先建立了MFC内部传质的宏观模型，并编写了模拟程序。分别从MFC中微生物的单一周期培养，等量加入底物连续培养，减量加入底物连续培养三个方面分析了生物量和底物浓度随时间的变化情况。模拟结果表明：在底物即将耗尽时及时添加底物，可加速微生物的生长繁殖。因此，在微生物培养驯化期间，应及时添加底物，可缩短培养驯化的时间。减量加入底物进行培养与等量加入底物培养相比，培养周期短，可以在一定时间内连续多次少量添加底物培养。
　　其次，课题引入空间分布理论和流体力学计算方法，在微观区域对阳极表面的生物量和局部电流密度分布情况进行了研究。结果表明：(1).浓度梯度是阳极液和生物膜之间物质迁移的推动力。同时重力、流体的粘滞力(内摩擦力)、极板和生物膜之间的剪切力均对MFC阳极附近的物质传递有影响。(2).MFC起始运行时，电极边缘的电流密度稍稍高于极板中心区域的电流密度。随着运行时间增加，这种差异逐渐消失。(3).MFC运行前中期，平行极板方向局部电流密度和生物量顺重力方向开始均匀增加，且增加速度有加快趋势。垂直极板方向上局部电流密度和生物量分布非常不均匀，电流密度和生物量峰值有向极板附近移动的趋势，且移动速度逐渐加快。(4).MFC运行并达到稳定后，沿极板水平方向局部电流密度和生物量分布稳定，并且顺重力方向均匀增加；沿极板垂直方向局部电流密度和生物量分布趋于稳定，且值向靠近极板方向增加。
　　最后，将环境因素影响引入模型，研究了pH、温度、底物浓度、生物量对MFC电化学性能的影响。结果表明：在pH偏中性(6-8)、温度37℃时MFC性能最佳。微生物处于稳定期时生物量较高，此时的电池产电性能也较好。底物浓度对MFC极化曲线的活化极化区段和浓差极化区段有影响。浓度较高时，浓差极化较明显，传质速率下降；浓度较低时，活化极化较明显，曲线进入线性变化区较慢。
　　此外，文章还尝试利用三维模拟的方法，初步探讨了孔径与孔隙率对MFC三维电极电化学性能的影响，得出了相关结论。