生物炭介导对PE-MFC电化学与产甲烷特性的影响

摘要

有机废弃物资源如果不处理或处理不好，将成为污染之源，加重环境问题;如果将其应用到厌氧消化领域，则能变废为宝，成为绿色能源的材料之源，能有效缓解目前日益突出的世界环境污染和能源匮乏问题，造福人类。然而并不是所有的有机废弃物资源都能被自然界中的微生物降解，如木质纤维素材料则难以被微生物降解转化。而生物质热解转化技术的出现，为解决这部分难降解有机废弃物带来了曙光。大部分有机废弃物资源，特别是在自然界中难以被微生物利用的那部分有机废弃物资源，都可通过简单的高温热解而制成生物炭，被应用到环保、能源等领域。作为活性炭的前驱体，生物炭与活性炭有很多相似之处，而活性炭在环保、能源等领域的优良性能，在由来已久的国内外研究中已被证实，因此研究生物炭在能源领域的应用将极具经济和环保意义。　　针对以上问题，本课题将三维电极光催化技术引入到微生物燃料电池技术中，组成新颖的光电微生物燃料电池（Photoelectric microbial fuel cells，PE-MFC），并以生物炭颗粒作为其三维电极粒子及生物膜载体，研究以生物炭介导的光电微生物燃料电池及其机理，为实现微生物燃料电池同步产电与产沼气，并提高传统沼气技术的生产效率与沼气品质，同时为充分利用有机废弃物资源，特别是利用难降解有机废弃物资源化利用提供参考。　　论文主要研究内容和结果包括以下方面:　　(1)生物炭改性实验及其表征。本课题采用的是颗粒状生物炭(GBC)，分别对其进行表面活性剂阳离子、阴离子改性及甲烷抑制改性，并采用傅里叶红外光谱分析(FTIR)技术、X射线衍射分析(XRD)技术、比表面积检测(BET)技术等对改性前后生物炭的理化性质进行表征。研究表明，试验选用的果木生物炭GBC在晶体结构上是具有乱层结构的无序石墨微晶体结构;经表面阳离子活性剂改性及甲烷抑制改性后的GBC，结晶效果得到增强，晶粒得到细化;而经阴离子改性后的GBC，晶体结构有序性减弱，晶格膨胀造成缺陷，也增加了活性位点。经傅里叶红外光谱分析知，GBC表面具有丰富的化学官能团，如羧基、羟基、甲基、亚甲基和氨基等具备较好的亲生物性。生物炭改性前比表面积为15.87m2，改性后GBC比表面积均减小，在2.34～4.09m2.g-1间。且GBC在污泥环境中时，对污泥具有吸附作用，GBC吸附性能大小顺序为GBC＞SBES-GBC＞SDS-GBC＞PEI-GBC;在污泥浓度达到92g.L-1（接近本文后续研究中PE-MFC启动时的污泥浓度）时，改性前后GBC对污泥的吸附容量均接近达到饱和。　　(2)生物炭介导对PE-MFC电化学特性的影响。通过将经阳离子、阴离子改性的生物炭颗粒及未经改性的生物炭颗粒投入到自行设计的PE-MFC中，研究生物炭在其中作为三维电极填充粒子时所起的对PE-MFC的电化学介导作用及其影响。研究表明，生物炭在PE-MFC中的电化学介导作用主要体现在其在PE-MFC中起到了三维电极的作用，增加了PE-MFC的光催化电场，提高光催化效率，进而促进PE-MFC的电子传递;微生物在生物炭表面形成的生物膜，对生物炭在PE-MFC中的电化学介导作用的影响并不十分明显;此外，经阴离子改性后的生物炭由于表面电活性的增强使其在PE-MFC中的介导作用比其他性质的生物炭更为显著。　　(3)生物炭介导对PE-MFC产甲烷特性的影响。通过将经甲烷抑制改性、阳离子改性、阴离子改性及未经改性的生物炭颗粒投入到自行设计的PE-MFC中，研究生物炭在其中作为生物膜载体时所起的对PE-MFC的微生物介导作用及其特性。研究表明生物炭在PE-MFC中起到了生物膜载体的介导作用，通过固定化微生物、吸附有机质、调控CO2与活性氢[H]的浓度配比等，使PE-MFC周期内日产气量与甲烷含量显著提升。

目录

论文说明

声明

摘要

第一章 导论

1．1 研究背景

1．2 微生物燃料电池技术研究进展

1．2．1 MFC发展历史

1．2．2 MFC技术原理

1．2．3 MFC构型

1．2．4 MFC阴极电子受体

1．2．5 MFC同步产电与产能源气体

1．2．6 MFC与光催化技术联用

1．3 生物炭的介导特性研究进展

1．3．1 生物炭的结构和性质

1．3．2 生物炭作为生物膜载体

1．3．3 生物炭作为三维电极粒子

1．4 研究的目的和意义

1．5 研究内容及技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究技术路线

第二章 生物炭改性前后特性研究

2．1 材料与方法

2．1．1 试验仪器

2．1．2 试验材料

2．1．3 试验设计

2．1．4 测定方法

2．2 结果与分析

2．2．1 改性前后生物炭的表征

2．2．2 改性前后生物炭对污泥的作用机制

2．3 小结

第三章 生物炭介导对PE-MFC电化学特性的影响

3．1 材料与方法

3．1．1 试验装置

3．1．2 试验材料

3．1．3 试验设计

3．1．4 测定方法

3．2 结果与分析

3．2．2 投加生物炭对PE-MFC电化学特征及作用特性分析

3．3 小结

第四章 生物炭介导对PE-MFC产甲烷特性的影响

4．1 材料与方法

4．1．1 试验装置

4．1．2 试验材料

4．1．3 试验设计

4．1．4 测定方法

4．2 结果与分析

4．2．1 生物炭上生物膜的生长状况

4．2．2 生物炭作为生物膜载体的特性

4．2．3 生物炭对PE-MFC产甲烷的影响

4．3 小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

致谢

作者简介