土壤微生物燃料电池电极优化研究

摘要

以石油污染土壤作为基质构建土壤微生物燃料电池(SMFC)，通过电极材料、阳极布置方式、阳极修饰材料三方面对SMFC进行优化。
　　以石墨毡、碳毡、碳布、石墨纸、铝片作为阳极，SMFC产生的稳定电压分别为:346±5mV、255±5mV、192±5mV、130±5mV、300±5mV;最大功率密度分别为:24.0mW/m2、12.6mW/m2、9.1mW/m2、4.5mW/m2、18.2mW/m2;运行115天，石墨毡作为阳极的SMFC中TPH、蒽、菲、芘的去除率可达59.14％、61.65％、58.05％、55.92％。不同阳极材料上的微生物群落特征存在较大差异。以不锈钢网、碳布、石墨纸、活性碳毡、铝片作为阴极，SMFC产生的稳定电压分别为:115±5mV、305±5mV、144±5mV、230±5mV、24±5mV;最大功率密度分别为2.5mW/m2、18.9mW/m2、4.7mW/m2、11mW/m2、0.15mW/m2;运行115天，以碳布作为阴极的SMFC中TPH、蒽、菲、芘的去除率可达55.21％、57.48％、54.42％、52.17％。通过电极材料优化实验，最佳的阳极和阴极材料分别为石墨毡、碳布。
　　单层阳极与双层阳极的SMFC产生的稳定电压分别为417±5mV、445±5mV，最大功率密度为17.25mW/m2、22.63mW/m2;阳极水平与竖直布置的两组SMFC的稳定电压分别为643±5mV、437±5mV，最大功率密度为20.1mW/m2、8.2mW/m2;运行80天，阳极水平布置的SMFC中TPH、蒽、菲、芘的去除率可达41.50％、43.62％、40.67％、35.65％。阳极水平多层布置能够提高SMFC的性能，同时减小占地面积。
　　利用膨润土-Fe和Fe3O4修饰阳极石墨毡，SMFC的稳定电压可达324mV、249mV，最大功率密度分别为29.98mW/m2、18.28mW/m2，最大功率密度相比未修饰阳极组分别提高了182.83％、72.45％。膨润土-Fe修饰后的SMFC，在45天内TPH、蒽、菲、芘的去除率可达31.42％、36.62％、32.48％、26.24％。，膨润土-Fe的性能优于F3O4。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 土壤石油污染概述

1．1．1 土壤石油污染来源

1．1．2 主国内外土壤石油污染现状

1．1．3 土壤石油污染的危害

1．2 石油污染土壤的修复技术

1．2．1 物理修复技术

1．2．2 化学修复技术

1．2．3 生物修复技术

1．3 土壤微生物燃料电池的发展

1．4 土壤微生物燃料电池的影响因素

1．4．1 SMFC的电极

1．4．2 SMFC的基质

1．4．3 微生物活性

1．5 本课题的研究意义及内容

1．5．1 本课题的研究背景与意义

1．5．2 本课题的研究内容及拟解决的关键问题

1．5．3 技术路线

第二章 实验材料与方法

2．1 仪器与药品

2．1．1 实验仪器

2．1．2 实验药品

2．2 土样的采集和预处理

2．3 土壤理化性质

2．3．1 土壤pH

2．3．2 土壤有机质(SOM)

2．3．3 总石油烃

2．3．4 多环芳烃

2．4 电极材料的制备

2．5 阳极材料的表征

2．6 SMFC的反应装置

2．7 电压的采集与分析

2．8 微生物群落多样性分析

第三章 电极材料的优化研究

3．1 阳极材料的优化研究

3．1．1 阳极材料对SMFC产电特性的影响

3．1．2 阳极材料对SMFC功率密度和内阻的影响

3．1．3 阳极材料对SMFC中TPH及PAHs降解的影响

3．1．4 阳极材料对微生物群落的影响

3．2 阴极材料的优化研究

3．2．1 阴极材料对SMFC产电特性的影响

3．2．2 阴极材料对SMFC功率密度和内阻的影响

3．2．3 阴极材料对SMFC中TPH及PAHs降解的影响

3．3 小结

第四章 电极布置方式的优化研究

4．1 阳极单层与双层布置的优化研究

4．1．1 阳极单层与双层布置对SMFC产电特性的影响

4．1．2 阳极单层与双层布置对SMFC功率密度和内阻的影响

4．2 阳极水平与竖直布置的优化研究

4．2．1 阳极水平与竖直布置对SMFC的产电特性的影响

4．2．2 阳极水平与竖直布置对SMFC功率密度和内阻的影响

4．2．3 阳极水平与竖直布置对SMFC中TPH及PAHs降解的影响

4．3 小结

第五章 阳极修饰材料的优化研究

5．1 阳极材料的表征

5．2 阳极修饰材料对SMFC产电特性的影响

5．4 阳极修饰对微生物群落的影响

5．5 小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

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