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《南开大学》 2011年
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提高微生物燃料电池性能的电极材料研究

迟美玲  
【摘要】:近年来,能源危机和水污染问题日益突出,已成为制约人类生存和发展的重要因素之一。废水中含有以可生物降解型有机物形式存在的能量,如果能在废水处理的同时回收这部分能源将是最佳的选择。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,简称MFC)是一种利用微生物作为催化剂氧化有机物并直接将化学能转化成电能的新型装置。目前,该技术已被作为新型资源化技术应用于废水处理中,但因输出功率低等核心问题仍处于实验室研究阶段。 在众多影响因素中,电极材料尤其是阳极材料对MFC性能及建设成本都具有非常重要的影响。我们除了选择优良的材料做阳极之外,对现有的阳极材料进行改性也是重要的手段之一。目前,虽然已经研究出一些阳极改性方法但是大多存在设备复杂、条件苛刻、制备时间过长、实际应用性差等问题。因此,针对以上问题本文选用单室空气阴极MFC作为反应器,探索了简单实用、高效价廉的两种电化学阳极改性方法,以实现MFC性能的提高。 首先,本文采用碳纤维布作为阳极材料,分别选取NH4NO3和(NH4)2S2O8作为电解质,利用电化学氧化方法(电流强度10 mA,处理时间30min)对其进行表面改性;然后将改性前后的碳纤维布分别作为阳极启动4个MFCs,经过一段时间的运行,考察产电和废水处理性能。主要研究结论如下:第一,改性后MFC的功率密度均得到提升,以HN03改性后效果最佳,功率密度达到了792 mW/m2,比未改性的552 mW/m2提高了43%;NH4NO3改性后的功率密度也提高了33%,达到736 mW/m2。第二,改性后的MFC内阻减小了。HN03改性和NH4NO3改性的内阻分别由改性前的158Ω降低到122Ω和125Ω,分别降低了23%和21%。第三,通过SEM、XPS和CV等电化学分析等手段发现,改性提高了材料表面粗糙度和N1s/C1s比,电化学蚀刻作用和表面官能团的引入可能是改性提高MFC性能的主要原因和机理。第四,与文献报导的其他阳极改性方法相比,电化学氧化法具有成本低、操作条件温和、简单实用等优点。 其次,本文另以石墨毡为阳极材料,采用电聚合方法将纳米级聚吡咯颗粒负载到石墨毡表面。以循环伏安扫描次数来控制反应时间,其分别5CV(PPy-1)、10CV (PPy-2)、20CV (PPy-3)。实验考察了反应时间对聚吡咯形貌的影响以及改性对MFC性能的影响。实验结果表明,聚吡咯颗粒尺寸大约在50nm左右,但随着反应时间的增加制备的纳米颗粒呈现簇拥堆叠成团的现象。未改性的MFC的功率密度最大为375 mW/m2。反应器PPy-2的最大功率密度为430mW/m2,与未改性的相比提高了15%。PPy-3的最大功率密度也提高到了412mW/m2。另外,改性后库仑效率和COD去除率也有了一定的提高。
【学位授予单位】:南开大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM911.45

【参考文献】
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