微生物燃料电池阳极生物膜的形成和产电性能的研究

摘要

微生物燃料电池（Microbial fuel cells，MFCs）是一种能够处理污水同时产电的新技术。阳极生物膜的特性是直接影响微生物燃料电池性能的关键因素之一。选择合适的外界培养条件和优化阳极构造可以提高阳极生物膜的性能。本论文通过改变外接电阻研究了微生物燃料电池的启动过程，结合极化曲线分析了阴阳极性能对电池产电的影响。构造微型微生物燃料电池研究了不同构型阳极的生物膜特征和产电性能。
　　采用不同外接电阻研究了隔膜电极组装型微生物燃料电池（Separator electrode assemble，SEA-MFC）的启动过程和产电性能，研究发现:采用大电阻，SEA-MFC反应器启动快，如在1000Ω下，启动时间为75h，而在10Ω下启动时间为143h。SEA-MFC的功率密度受限于阳极性能。外接电阻主要影响刚启动完成时的阳极性能，而电池运行一定时间后，所有阳极其产电性能趋于相同，此时阳极性能主要受溶解氧的影响。研究还发现:SEA-MFC产电功率随运行时间的增加而降低，阴极性能降低是电池产电功率下降的主要原因。通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱(EDX)分析阴极截面形貌和成分发现:阴极内部存在磷酸盐晶体，磷酸盐晶体阻碍了氧气的扩散，是阴极性能下降的主要原因之一。
　　为了考察不同构型阳极的生物膜特征和产电性能，本文开发了微型微生物燃料电池体系，并利用这一体系研究了不同长度和根数构成的碳纤维阳极。研究发现:当阳极为单根碳纤维时，阳极长度为1cm的微生物燃料电池的最大功率密度最大，为10.50W/m2。随碳纤维丝长度从2cm增加到14cm，微生物燃料电池的最大功率逐渐降低。当以多根2cm长的碳纤维丝为阳极时，微生物燃料电池的功率与根数（1-4根）成正比，当采用4根2cm纤维丝时，微生物燃料电池的最大功率密度为2.92W/m2，该数值是以单根8cm碳纤维丝为阳极的电池功率密度的2.78倍。观察碳纤维丝阳极生物膜的分布表明:沿长度方向碳纤维丝上生长的生物膜结构差异较大，在电流引出端附近的生物量明显大于其它地方，造成生物量的差异与碳纤维欧姆电阻有关。这说明增加纤维丝长度虽可提高阳极的表面积，但并不能提高阳极的产电性能。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 微生物燃料电池简介

1．2．1 微生物燃料电池的发展

1．2．2 微生物燃料电池的原理

1．2．3 微生物燃料电池的发展方向与挑战

1．3 现有阳极生物膜构建

1．3．1 阳极的材料选择与优化

1．3．2 阳极的优化

1．3．3 生物膜成膜的影响因素

1．3．4 阳极结构现状

1．4 本文的研究工作

2．实验设备与测试

2．1 反应器制作与组装

2．1．1 隔膜电极组装型(SEA)反应器的构建

2．1．2 不同运行时间阴极的获取

2．1．3 微反应器的组装

2．2 微生物燃料电池的接种与运行

2．3 反应器的测试与分析

2．3．1 SEA反应器的测试与分析

2．3．2 微反应的测试与分析

2．3．3 其他测试

3．隔膜电极组装型(SEA)徼生物燃料电池的生物膜构建

3．1 不同电阻对SEA反应器的生物膜的构建

3．1．1．不同电阻下SEA反应器的启动曲线

3．1．2．不同电阻下SEA反应器的产电曲线

3．2 产电功率随时间运行的变化

3．2．1．初始阶段的SEA反应器的产电

3．2．1．一个月后的SEA反应器的产电

3．3 本章小结

4．SEA体系中电池性能的影响因素

4．1 SEA中阳极随时间的变化规律

4．2 最适条件下SEA反应器的产电

4．3 长期运行阴极的影响

4．3．1 长期运行阴极的电化学性能

4．3．2 不同运行时间阴极表面形貌观察与阴极透氧测试

4．4 本章小结

5 阳极的优化

5．1 碳纤维丝长度对微生物燃料电池性能的影响

5．2 碳纤维丝根数对微生物燃料电池性能的影响

5．3 碳纤维丝上微生物观察

5．3．1 碳纤维丝上微生物的分布规律

5．3．2 碳纤维丝上微生物形貌观察

5．4 本章小结

6．结论与展望

参考文献

作者简介及在学期间取得的科研成果