生物阴极MFC处理中高浓度生活污水研究

【摘要】：在现今能源紧缺、环境污染严重的大前提下，以生物质发电技术为核心的微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）越来越受到人们的关注，微生物燃料电池独特的产电、去污两种特性，是它成为众多研究者关注的主要原因。 实验充分考虑了已有的微生物燃料电池结构、类型，比较其优缺点，设计了一种以生活污水为电解液的双室生物阴极MFC。课题以间歇式、连续流两种进水方式运行MFC为实验基础，考察了进水底物浓度、水力停留时间的改变及质子在离子交换膜间扩散转移对电池性能的影响，并结合电化学、动力学等研究方法初步探讨了生物阴极MFC在处理生活污水、产电时的基础性能，并取得以下实验成果： 进水有机底物浓度对MFC的电压输出、功率密度具有明显的“饱和效应”，进水底物浓度越大，电池电压提升越慢，可以用经典的Monod方程来描述这一变化规律，实验得到了连续流时电压随进水COD浓度变化的Monod经验公式：V=132.1S94.34+S。相比间歇式来说，进水底物浓度相同时，连续流运行MFC有更好的水力紊动条件，电池的输出电压、功率密度及COD去除率都高于间歇式；并且在实验中得到最大的电压输出为118.6mV，最大功率密度为81.2mW/m~3，COD的平均去除率在80%左右。电池的库仑效率随进水底物浓度的增大而减小，实验中取得的最大库仑效率为1.93%，电子回收率较低。 连续流运行MFC，水力停留时间减小时，电池电压、功率密度呈减速上升趋势；水力停留时间延长有助于提高污水的COD去除率。实验中得到反应器的最优水力停留时间为25h，对应下的平均输出电压112.4mV，平均功率密度56.2mW/m~3。 无添加缓冲剂连续流进水时MFC的阳极和阴极，均有比间歇式较好的pH环境，阳极的电解液pH接近中性；和其他研究者的结论相比，实验中MFC阳极pH值没有明显下降的原因在于Gore-Tex膜对OH~－的传质能力比对H~+更强，OH~－大量的从阴极扩散至阳极中和了阳极室的酸性环境。计算得到Gore-Tex膜对OH~－的传质系数KT=1.402×10~(-6)cm·s~(-1)。 【关键词】：微生物燃料电池（MFC） 生物阴极 Gore-Tex膜 生活污水
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：X799.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-18
• 1.1 环境污染下新能源的发展9-11
• 1.1.1 能源危机与空气污染9-10
• 1.1.2 水污染现状10
• 1.1.3 污水的能源化利用10-11
• 1.2 微生物燃料电池技术11-16
• 1.2.1 MFC 的发展历程12-13
• 1.2.2 MFC 的工作原理13-14
• 1.2.3 产电细菌的电子转移机理14-15
• 1.2.4 生物阴极微生物燃料电池15-16
• 1.3 课题研究的目的和意义16-17
• 1.4 课题研究的内容17-18
• 2 实验方法与材料18-30
• 2.1 生物阴极燃料电池的构建与启动18-23
• 2.1.1 反应器结构设计18-19
• 2.1.2 MFC 离子交换膜的选取19-21
• 2.1.3 材料预处理21-22
• 2.1.4 反应器的接种与启动22-23
• 2.2 数据的采集与方法23-24
• 2.2.1 电压采集23
• 2.2.2 实验化学参数分析方法23-24
• 2.3 MFC 的性能评价与计算24-30
• 2.3.1 极化曲线与功率密度曲线24-26
• 2.3.2 MFC 内阻的计算26-27
• 2.3.3 库伦效率27-28
• 2.3.4 COD 去除率28
• 2.3.5 MFC 的电位化学分析理论28-30
• 3 间歇式进水 MFC 处理生活污水的性能研究30-46
• 3.1 MFC 的启动30-31
• 3.2 MFC 启动初期的运行特性31-34
• 3.2.1 阳极有机底物的变化规律31-33
• 3.2.2 MFC 的产电性能33-34
• 3.3 MFC 稳定运行期对生活污水的处理性能34-40
• 3.3.1 COD 去除效果及库仑效率35-38
• 3.3.2 电池输出电压38-40
• 3.3.3 功率密度40
• 3.4 无缓冲剂时 MFC 的 PH 值变化影响40-45
• 3.4.1 pH 值的变化对 MFC 的影响40-42
• 3.4.2 OH－在离子交换膜中的传质42-45
• 3.5 小结45-46
• 4 连续流进水 MFC 处理生活污水的性能研究46-58
• 4.1 进水底物浓度对 MFC 的影响46-50
• 4.1.1 COD 去除率及电压输出46-48
• 4.1.2 输出电压 Monod 经验公式的建立48-49
• 4.1.3 功率密度与库仑效率49-50
• 4.2 最优水力停留时间选择50-54
• 4.2.1 不同 HRT 下 MFC 的产电性能51-52
• 4.2.2 有机物去除率52-54
• 4.3 PH 对 MFC 的影响变化比较54-57
• 4.4 小结57-58
• 5 结论58-59
• 致谢59-60
• 参考文献60-64

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