微生物燃料电池水动力学与生物电化学模型的研究

摘要

微生物燃料电池(Microbial fuel cells: MFCs)是一种利用微生物氧化有机物或无机物并同时产生电能的装置，近年来已成为污水处理领域研究的热点。目前MFC的研究工作主要集中在寻找高电活性的微生物、合适的电子受体、良好的电极材料及其修饰方法以及探索反应器构型等方面。尽管水动力学是影响MFC内部传质和反应的重要因素，但关于MFC水动力学的研究少之又少。MFC的运行包含传质、生化、物化和电化学等过程，机理十分复杂，通过数学建模的方法有助于深入理解MFC的运行机制，然而，目前关于MFC模型的报道相对较少，尤其是针对无中介体添加的MFC系统。本研究主要内容包括：
　　⑴采用锂离子在四个不同的水力停留时间(HRT)下对电膜生物反应器(EMBR)进行示踪实验，利用多釜串联(TIS)模型、轴向扩散(AD)模型和Martin模型分析示踪实验的结果，得到EMBR的死体积和短流等重要信息，并阐述了死体积随HRT的变化情况。和TIS及AD相比，Martin模型可以更好的描述反应器的流动状态且能够准确预测反应器的死体积，其模拟结果表明EMBR内部存在三个不同的流动区域。采用计算流体动力学(Computational FluidDynamics)方法分析了EMBR的内部流场，发现EMBR流态在反应器运行40 s之后即可达到稳定。通过可视化云图得到死区在EMBR内部的分布情况，发现死区主要位于反应器的底部以及顶部外侧。此外，速度矢量场模拟结果说明了反应器内部存在短流的必然性。研究结果同时发现EMBR的电流密度与DO浓度和死体积的乘积呈正相关，而HRT是影响EMBR死体积大小及阴极平均DO浓度的直接因素，因此确定合适的水力条件对提高EMBR产电性能至关重要。
　　⑵构建了基于生物膜的一维多种群无介体双室MFC模型，模型围绕阳极展开，主要包含生化反应、电化学反应、传质过程以及酸碱平衡及气液转换等内容。利用所建立的模型考察了底物的进料浓度、进料流量、初始生物浓度以及产电菌的初始比例等四个重要因素对MFC的电流密度、库伦效率和甲烷产量的影响。模拟结果发现当底物浓度和进料流量较低时，阳极产甲烷菌相比产电菌更活跃，MFC产能较低。增加底物的进料浓度和流量可以提高MFC的电流密度和库伦效率。此外，阳极生物膜上的初始微生物浓度会改变膜内的传质速率进而对MFC的产电造成影响。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 能源危机及水资源问题

1．1．1 能源危机

1．1．2 水资源问题

1．2 微生物燃料电池

1．2．1 微生物燃料电池的发展历程

1．2．2 微生物燃料电池的工作原理

1．2．3 MFC阳极胞外电子传递机制

1．2．4 微生物燃料电池的研究进展

1．3 生化反应器的水动力学

1．3．1 水动力学对生化反应器性能的影响

1．3．2 水动力学的研究手段

1．3．3 生物反应器水动力学的研究进展

1．4 MFC生物电化学模型的研究

1．4．1 建立MFC生物电化学模型的意义

1．4．2 MFC模型的研究进展

1．5 本文的研究内容、目的和意义

第2章 电膜生物反应器(EMBR)的水动力学研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 EMBR的组装与运行

2．2．2 示踪实验及测试方法

2．3 几种非理想流动模型的建立与应用

2．3．1 停留时间分布的相关定义

2．3．2 非理想流动模型的建立

2．4 EMBR的计算流体动力学模拟

2．4．1 计算区域与网格划分

2．4．2 边界条件和参数设置

2．5 EMBR阴极溶解氧浓度分布模型

2．6 结果与讨论

2．6．1 示踪试验

2．6．2 三种非理想流动模型的模拟结果

2．6．3 EMBR流态的可视化分析

2．6．4 水力特性对EMBR性能的影响

2．7 小结

第3章 无介体MFC的生物电化学模型

3．1 引言

3．2 模型的建立

3．2．1 生化过程

3．2．2 电化学过程

3．2．3 生物膜内部的传质过程

3．2．4 电势模型

3．2．5 酸碱平衡及气液转换及过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 阳极生物膜的生长

3．3．2 不同因素对电流密度的影响

3．3．3 不同因素对库伦效率的影响

3．3．4 不同因素对甲烷产量的影响

3．4 小结

第4章 总结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文和学术成果