基于管式炭膜MFC-ANMBR运行性能研究

摘要

微生物燃料电池(MFC)因利用污水中的能量产生电能越来越受到人们的重视。然而，出水水质差和产电电量低成为制约其广泛应用的技术问题。本实验以兼具导电性和过滤性的管式炭膜构建MFC。研究了管式炭膜电极在MFC系统中的运行特点，阐明管式炭膜电极的阴极过滤行为对MFC运行效果的影响机制，探讨微生物燃料电池-厌氧膜生物反应器(MFC-AnMBR)系统管式炭膜电极在不同过滤通量下的运行效果及污染状况。
　　管式炭膜作为MFC电极在未滤条件下，产电性能与碳棒电极基本相同，而受比表面积和催化剂限制，产电性能不及碳刷电极和铂催化电极。管式炭膜作为阴极时，其过滤行为影响MFC的运行效果。当氧气为阴极氧化剂时，通量由0L/(m2·h)提高到100L/(m2·h)对MFC运行效果有显著的促进，功率密度提高了358.69mW/m2(80％)，内阻降低了212.80Ω(42％)。这表明阴极过滤行为可以通过加速氧气向阴极的传质强化电子受体与电极的接触，从而有效降低了系统内阻，提升了MFC的产电性能，但当通量过高时，电极反应动力学过程由传质控制转变为电极反应控制，因此通量对MFC产电性能的影响不再显著。当阴极氧化剂为铁氰化钾时，通量由0L/(m2·h)提高到50L/(m2·h)对MFC运行效果有显著的促进，而通量继续提升运行效果开始明显下降。当过滤通量为150L/(m2·h)时，与未过滤体系比功率密度降低了429.46mW/m2(78％)，内阻升高了725.80Ω(141％)。表明铁氰化钾为阴极氧化剂时，低通量下变化趋势与氧气相同，但当通量过高时，铁氰化钾分解以及Fe2+/Fe3+水解使阴极炭膜表面沉积大量固体，这一严重的阴极膜污染反而使得MFC运行效果大幅度下降。
　　管式炭膜作为阳极时，其过滤行为影响MFC-AnMBR的运行效果。通量由0L/(m2·h)提高到30L/(m2·h)对MFC对启动时间影响显著，缩短了550h(63％)。表明阳极过滤行为加快了电极表面生物膜的形成，从而缩短启动时间。系统稳定运行后，通量为10L/(m2·h)和20L/(m2·h)时运行性能基本相同，与未过滤体系相比略有提高。而当过滤通量为30L/(m2·h)时运行性能明显下降，与未过滤体系相比功率密度降低了129.56mW/m2(29％)，内阻升高了79.96Ω(16％)。表明阳极过滤行为强化电子在“底物-微生物-电极”微环境的传导效果，过滤行为增加电极表而产电微生物的量，从而增强产电性能，但高通量下膜污染速率加快，导致电极与微生物接触面积减少，从而增大内阻，降低系统运行效果。随着过滤通量增加，COD去除效率明显上升，20L/(m2·h)时提高到92％。不同过滤通量下产生的电场不同，从而改变了污泥悬浮液性质，减缓膜污染。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微生物燃料电池概况

1．1．1 微生物燃料电池简介

1．1．2 微生物燃料电池的分类

1．1．3 微生物燃料电池的优点

1．1．4 微生物燃料电池的国内外研究进展

1．2 膜生物反应器

1．2．1 膜生物反应器简介

1．2．2 膜生物反应器分类

1．2．3 膜生物反应器的优点

1．2．4 膜生物反应器面临的挑战

1．3 微生物燃料电池与膜生物反应器耦合工艺研究现状

1．3．1 微生物燃料电池与膜生物反应器耦合工艺研究进展

1．3．2 微生物燃料电池与膜生物反应器耦合工艺目前存在的问题

1．4 炭膜及其应用

1．5 课题研究的目的、意义和主要内容

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 研究内容与技术路线图

第二章 实验方法

2．1 实验材料和仪器

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器

2．2 MFC构建

2．3 计算方法

2．3．1 功率密度的计算

2．3．2 库伦效率的计算

2．4 分析方法

2．4．1 SMP与EPS的提取

2．4．2 蛋白质和多糖含量的测定

2．4．3 COD的测定方法

2．4．4 极化曲线测定

2．4．7 Zeta电位和颗粒粒度测定

2．4．8 扫描电子显微镜(SEM)

第三章 管式炭膜MFC运行效果及阴极过滤性能研究

3．1 MFC反应器启动与运行

3．1．1 启动期MFC产电性能

3．1．2 COD的去除率与库伦效率

3．2．1 输出电压

3．2．2 输出功率密度

3．2．3 MFC-O内阻的比较

3．2．4 COD去除效率与库伦效率

3．3 MFC-Fe在不同过滤通量下产电特性研究

3．3．1 输出电压

3．3．2 输出功率密度的测定

3．3．3 MFC-Fe内阻的比较

3．3．4 COD去除效率与库伦效率

3．3．4 膜污染分析

3．4 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)分析

3．5 本章小结

第四章 MFC-AnMBR运行性能研究及膜污染状况分析

4．1．1 电压输出情况

4．1．2 极化曲线与功率密度曲线

4．1．3 MFC内阻的比较

4．1．4 COD去除率与库伦效率

4．2 MFC-AnMBR耦合系统过滤通量对阳极膜污染的影响

4．2．1 过膜压力

4．2．3 反洗后膜表面SEM分析

4．2．3 耦合系统中zeta电位与粒径分析

4．2．4 耦合系统中SMP分析

4．2．5 耦合系统中EPS分析

4．3 本章小结

第五章 结论与建议

5．1 实验结论

5．2 建议与展望

参考文献

论文发表情况

致谢