微生物燃料电池去除硝酸盐及电子传递机理研究

摘要

本文介绍了微生物燃料电池的基本原理及国内外研究进展情况。在此基础上，构建了双室微生物燃料电池去除硝酸盐，主要研究MFC阴极系统的影响因素对硝酸盐去除效果及MFC产电性能的影响，即MFC阴极微生物、初始硝酸盐浓度、阴极溶液中存在氨氮及阴极溶液中存在无机碳源等因素对MFC产电和反硝化作用的影响，并比较了盐桥和阳离子交换膜分别作为中间分隔物时，MFC系统的电压输出、内阻及最大功率密度。另外，运用循环伏安法测试分析手段，对微生物与电极之间的电子传递机理进行了初步探讨。研究结果如下：　　以活性污泥和反硝化细菌接种的双室微生物燃料电池在产电的同时都可有效去除自配水中的硝酸盐污染物。同时有效降解阳极COD，另外，通过扫描电镜观察可知，不同接种源的阴极碳布表面形貌存在差异，并且阳极与阴极碳布表面形貌差异显著。　　阴极溶液的传质速度对MFC的反硝化作用及产电性能都有着一定的影响，传质速度快即硝酸盐初始浓度较高时，反硝化速率也较快。对MFC的产电性能的提高具有促进作用。碳酸氢钠能够提高反硝化速率，但是MFC的产电性能降低。氨氮对MFC的反硝化作用及产电性能都有抑制作用。　　盐桥MFC系统的内阻比阳离子膜MFC系统的内阻大很多，MFC输出电压最大值减少，最大功率密度降低，并且输出稳定电压的时间比阳离子膜MFC系统减少有300个小时。　　阳极碳布上的生物量与MFC的电压成正比关系，在MFC中对产电起主要起作用的是吸附在电极表面的微生物，而不是悬浮在溶液中的微生物。阳极生物膜上的细菌是进行催化氧化反应，阴极生物膜上的细菌进行催化还原反应；MFC体系中确实存在电子穿梭体的传递机制。

目录

文摘

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致谢

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 MFC介绍

1.2.1 MFC简介

1.2.2 MFC的基本原理

1.3 MFC的国内外研究进展

1.3.1 MFC阳极部分研究进展

1.3.2 MFC中间分隔物

1.3.3 MFC阴极部分研究进展

1.4 关于MFC产电机理的研究进展

1.5 MFC去除硝酸盐研究现状

1.6 本文主要研究内容

1.6.1 研究内容

1.6.2 技术路线图

第2章 实验材料与方法

2.1 实验装置

2.2 实验材料

2.2.1 药品和试剂的配制

2.2.2 实验器材

2.2.3 质子交换介质

2.2.4 接种源

2.3 分析方法

2.3.1 主要的检测方法

2.3.2 扫描电子显微镜的样品预处理方法

2.4 电池性能评价指标

2.4.1 电压

2.4.2 MFC内阻

2.4.3 极化曲线

2.4.4 功率密度曲线

第3章 双室微生物燃料电池去除硝酸盐污染物的性能研究

3.1 MFC阴极不同接种源的对比

3.1.1 MFC阴极室三氮变化

3.1.2 MFC阳极COD的去除

3.1.3 MFC产电性能

3.1.4 SEM分析

3.2 阴极室硝酸盐不同初始浓度的影响

3.2.1 不同硝酸盐初始浓度的反硝化速率影响

3.2.2 不同硝酸盐初始浓度MFC的性能

3.3 阴极有无添加碳酸氢钠的影响

3.3.1 碳酸氢钠对反硝化作用的影响

3.3.2 碳酸氢钠对产电性能的影响

3.4 阴极室不同氨氮浓度的影响

3.4.1 氨氮对反硝化速率的影响

3.4.2 氨氮对MFC性能的影响

3.5 盐桥和阳离子膜对电压的影响

3.6 本章小结

第4章 微生物燃料电池的电子传递机制初步探讨

4.1 生物量测定方法的确定

4.2 循环伏安曲线测定方法介绍

4.3 电极生物量与电压的关系

4.4 循环伏安曲线分析

4.4.1 生物膜的循环伏安曲线

4.4.2 溶液的循环伏安曲线

4.4.3 MFC阴阳室体系的循环伏安曲线

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文