微生物燃料电池扩大化及实用化关键技术的研究

摘要

微生物燃料电池（Microbial fuel cell，MFC）是一种以微生物为催化剂将储存在废水中的化学能直接转化为电能的新型废水处理技术，对于缓解当前能源危机和水环境污染有重要意义。目前，MFC相关研究尚处于实验阶段，制约该技术商业化应用的主要问题是缺乏MFC放大技术、低产电功率和高制造成本。本文针对这些问题，以获得MFC扩大化关键技术为目的，开展了适合放大MFC的电极材料和电极制备工艺、电池结构设计与优化、堆栈放大技术和电池快速启动技术的研究；同时，兼顾 MFC产电和废水处理，研究了 MFC与其它废水处理技术组合的组合废水处理技术。
　　本研究主要内容包括：⑴通过优化泡沫镍阴极制备工艺，获得了可规模化生产的高耐水压、高性能大阴极制备技术，当阴极面积从200 cm2放大至2400 cm2时，电极性能仅下降8.7％。基于产电效益的评价，发现碳刷为最适合扩大化MFC的阳极材料。以大尺寸MFC研究了阴阳极面积比对MFC产电功率的影响，发现当阴极面积与阳极面积比值为0.3~0.8时，MFC输出功率达到80 W/m3左右；而当阴阳极面积比为1~3时， MFC输出功率只有30 W/m3左右。⑵改变阴极空气腔体结构和供给方式，构建了曝气型和非曝气型多电极堆栈放大电池以及多电池堆栈放大电池，研究了阴极腔体空气供给速率对MFC产电性能的影响。研究发现曝气型堆栈电池的最大输出功率比非曝气型电池高29.2%，但由于曝气消耗的电能大于MFC回收的电能，因此，从能量回收的角度，非曝气型堆栈电池优于曝气型堆栈电池。而以多单元电池堆栈的放大电池其功率密度达到69.4 W/m3左右，是多电极堆栈电池的5.4倍，且构造成本比非曝气型多电极堆栈电池降低58%。确定了以多单元电池堆栈的放大电池是MFC扩大化的最佳方式。⑶针对紧凑式MFC产电启动慢的问题，首次提出了以循环伏安法（CV）促进MFC启动的思路，发现在合适的扫描电位范围内，正电位促进产电微生物在电极表面吸附，而负电位促进产电微生物的生长，从而加速了MFC的启动。与常规电阻法启动相比，CV法的启动时间降低了71%（从420h缩短至120h），最大功率密度增加了22%（从31.1 W/m3增加至37.8 W/m3）。针对MFC内建立硝化系统慢的问题，开发了先形成产电生物膜，其后在产电生物膜上形成硝化生物膜的新技术，新技术仅需16天完成硝化系统的建立，比一步接种法缩短启动时间58%。当运行屠宰废水时， MFC的氨氮去除率为94±1.3%，产电功率达到53.3 W/m3。⑷开发出1m3中试MFC，采用化妆品生产废水进行了中试试验。MFC处理化妆品生产废水的COD去除率为85.3±3.8%，电池最大输出功率为0.5 W/m3，发现化妆品生产废水成份复杂和电导率低是电池产电功率低的主要原因。首次将MFC与絮凝工艺联用形成新的组合技术，当处理养殖废水，氨氮去除率达到99.1%、COD脱出率为96.6±0.2%，且产生电能37.5 W/m3。经济分析表明：组合工艺可获得$0.026/m3的净收益，为高效低成本处理废水提供了新的思路。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 微生物燃料电池

1.4 MFC技术在废水领域的发展现状

1.5 MFC技术的优势及存在的问题

1.6 MFC技术的主要影响因素

1.7 本文的研究内容与技术路线

第二章 微生物燃料电池构造与研究方法

2.1 电极制备和反应器构建

2.2 微生物燃料电池的启动

2.3 电化学测试

2.4 水样中污染物及其它参数检测

2.5 电极材料分析测试

2.6 生物学测试方法

2.7 计算方法

第三章 空气阴极MFC单元电池放大关键技术

3.1 引言

3.2 大尺寸泡沫镍空气阴极制备技术

3.3 适用于大尺寸MFC的阳极材料

3.4 阴阳极面积比对MFC产电性能的影响

3.5 本章小结

第四章 微生物燃料电池堆栈技术

4.1 引言

4.2 多电极堆栈技术

4.3 多电池堆栈技术

4.4 多电极堆栈技术和多电池堆栈技术的比较

4.5本章小结

第五章 微生物燃料电池快速启动技术

5.1 引言

5.2 MFC产电细菌生物膜快速启动

5.3 MFC硝化细菌生物膜快速启动

5.4 本章小结

第六章 MFC处理实际废水的能效分析和组合工艺研究

6.1 引言

6.2 以化妆品废水为底物的产电性能和废水处理效果

6.3 以养殖废水为底物的电能转化

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果