生物相容金属阳极制备及微生物电解池高效产氢应用

摘要

环境污染和能源短缺是当今世界面临的两大难题。微生物电解池(Microbial electrolysis cells，MECs)技术可以利用电活性微生物将废水（物）中的有机物氧化生成二氧化碳、质子和电子，电子被阳极收集后通过外电路到达阴极，在阴极与质子结合产生氢气，是一项有望实现废物资源化利用和高效产能的新型有机废水（物）处理技术。然而，MEC技术目前存在工程电极材料欠缺和产氢效率低下等问题，离工程化应用仍有较大差距。 基于此，本文选用生物、化学稳定性优异的钛电极，通过污泥热解气修饰，显著增加了钛电极的比表面积，有效提高了钛电极的生物相容性，从而增加了电极表面的微生物附着量，最终获得较优异的电流输出性能。此外，利用负压调控抑制了甲烷的产生，实现了氢气的高效回收，从而提高了氢气回收率。最后利用该系统处理餐厨垃圾，考察其对实际有机废物的资源化利用能力，评估其工程应用的潜能。论文的主要内容和结果如下: 1、生物相容钛基金属阳极制备及性能评估。首先在电极表面原位生成TiO2纳米管，并通过在不同气体氛围中进行热处理，获得比表面积大、生物相容性高且晶体结构优异的钛电极，从而显著增加电极表面微生物的附着量并提高电极与生物膜之间的电子传递速率，最终提升电极的电流输出性能。在氢气氛围中热处理后获得的TNA-H2电极，其电流输出性能最为优异，电流密度可达22.69±0.18Am-2。但仍存在改性步骤复杂、改性成本昂贵以及二次污染等问题。 其次，利用污泥热解气修饰钛电极同样可以提高其比表面积、亲水性和生物相容性。在1100℃下经污泥热解气修饰后，改性钛电极获得了最优的电流输出性能，其电流密度可达15.80Am-2。此外，通过恒电流法测得该电极具备良好的电化学稳定性。最为重要的是，该方法的改性步骤简单有效且修饰原料廉价易得。 从电极制备流程、制备成本、产电性能及碳足迹等几方面对两种电极制备方法进行综合比选，最后筛选出污泥热解气修饰钛电极作为MECs工程化应用的电极材料。 2、单室微生物电解池的负压调控高效产氢策略研究。通过负压调控的方法抑制单室MEC中甲烷的产生，从而提高氢气回收率、能量回收率和电子回收率。在负压下获得的氢气容积产率高达7.72±0.06L L-1d-1，是常压下的5倍。此外，在负压调控下获得的氢气回收率和能量回收率也分别是常压下的12倍和1.5倍。通过高通量测序发现，在负压调控下产甲烷菌的生长受到了显著抑制。因此，该单室MEC具有较高的产氢效率，具备了工程应用的潜力。 3、单室微生物电解池处理餐厨有机垃圾高效产氢应用。以餐厨垃圾为底物，通过单室MEC技术实现废物的资源化利用，并考察MEC和传统厌氧发酵反应器在以餐厨垃圾为底物时所获得的氢气产率。单室MEC获得的氢气产率为500.8mL H2g-1干餐厨垃圾(dried food waste，DFW)，远高于厌氧发酵反应器的48.4mL H2g-1DFW。与此同时，单室MEC获得的氢气容积产率高达4.86±0.38L L-1d-1，氢气回收率和能量回收率分别为96％和238.7％，远高于其它利用混合基质产氢的MEC反应器。经过MEC处理的餐厨垃圾，其固含量减量效果高达64.9％，高于厌氧发酵处理的55.9％，表明该方法也可以实现餐厨垃圾中固含量的减量。 综上所述，基于污泥热解气修饰钛阳极的负压单室MEC具有较高的氢气和能源回收率，在废物资源化利用方面具有比较广泛的应用前景。

目录

摘要

1．1研究背景

1．2微生物电解池的发展

1．3单室微生物电解池的困难与挑战

1．3．1工程电极材料欠缺

1．3．2产氢效率低下

1．4单室微生物电解池的实际应用

1．5本文的研究内容、目的和意义

1．5．1研究的目的和意义

1．5．2主要研究内容

1．5．3技术路线

第2章基于钛电极的TiO2纳米管金属阳极构建

2．1前言

2．2材料与方法

2．2．2 TiO2纳米管修饰钛电极的表征分析

2．2．3微生物生长条件

2．2．4 MFC反应器构造与运行

2．2．5电化学分析

2．2．6生物膜形态分析

2．3结果与讨论

2．3．1电流输出性能

2．3．2生物膜特性

2．3．3电极表面物理特性对电流输出性能的影响

2．3．4电极表面化学性质对电流输出性能的影响

2．3．5电化学特性分析

2．4本章小结

第3章基于钛电极的污泥热解气修饰金属阳极构建

3．1前言

3．2材料与方法

3．2．1基于钛电极的污泥热解气修饰生物阳极制备

3．2．2污泥热解气修饰钛电极的表征分析

3．2．3微生物生长条件

3．2．4 MFC反应器构造与运行

3．2．5电化学分析

3．2．6生物膜形态分析

3．3污泥热解气修饰钛阳极的电极性能研究

3．3．1电极表面特性

3．3．2电极的输出性能

3．3．3生物膜特性

3．4电极材料综合比选

3．5本章小结

第4章单室微生物电解池的高效产氢调控策略研究

4．1前言

4．2材料与方法

4．2．1电极材料的构建

4．2．2反应器的构建

4．2．3反应器的运行

4．2．4气体组成分析

4．2．6产氢性能评估

4．2．7能量回收评估

4．3结果与讨论

4．3．1负压对电流产生的影响

4．3．2负压对氢生成和电子回收的影响

4．3．3负压对阳极生物膜群落组成的影响

4．3．4负压对能量回收的影响

4．4本章小结

第5章单室微生物电解池高效产氢策略的实际应用

5．1前言

5．2材料与方法

5．2．1餐厨垃圾的配置

5．2．2电极材料的选择

5．2．3反应器的构建与运行

5．2．4进出水及固体成分分析

5．2．5气体成分分析

5．2．6产氢性能评估

5．2．7能量回收评估

5．3结果与讨论

5．3．1 MEC电流输出性能

5．3．2 MEC和厌氧发酵反应器的产氢性能比较

5．3．3产氢过程中液相中有机物的利用机制

5．3．4产氢过程中固相中有机物的降解情况

5．4本章小结

6．1主要结论

6．2主要创新点

6．3存在的问题及建议

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢

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