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《天津大学》 2007年
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复合微生物燃料电池的研究

张鑫  
【摘要】: 微生物燃料电池是可以将有机物中的化学能直接转化为电能的反应器装置。随着研究的深入,微生物燃料电池已可以利用各种污水中所富含有机物质进行电能的生产。它的发展不仅可以缓解日益紧张的能源危机以及传统能源所带来的温室效应,同时也可以处理生产和生活中的各种污水。因此微生物燃料电池是一种无污染、清洁的新型能源技术,其研究和开发必将受到越来越多的关注。 本论文采用了双极室微生物燃料电池系统,以复合菌作为阳极产电菌种,主要考察了原复合菌的产电性能,以及温度、COD浓度、搅拌、阳极pH等操作条件对复合菌微生物燃料电池系统性能的影响;并进一步研究了组成复合菌体系的各种单菌对系统产电性能的影响。实验结果表明,我们所采用的复合菌体系在模拟污水中具有一定的产电能力,经驯化培养后系统的输出功率增加了146%,并证实复合菌产电主要集中在阳极的微生物膜上;系统的性能受初始COD浓度和阳极pH的影响较大,在酸性条件下获得了最大输出功率149.17mW/m~2。在产介体菌种的分析实验中,证明光合细菌和放线菌均能产生一定量的介体以促进系统的电子转移。复合菌中的乳酸菌的产电性能较好,在COD为1500mg/l的人造污水的最大输出功率为109.21mW/m~2,分别是其它菌种的6.85倍(放线菌)、7.93倍(酵母菌)和13.86倍(光合细菌)。 为了进一步考察以复合菌为产电菌种的微生物燃料电池系统利用实际污水的能力,我们分别采用华润啤酒污水(COD=579mg/l)和海河乳业污水(COD=586mg/l)进行了产电性能的实验,其分别获得了112.22mW/m~2和34.93mW/m~2最大输出功率,说明了以复合菌为产电菌种的微生物燃料电池在实际污水应用中具有可行性。 同时我们还利用循环扫描伏安法(CV)和环境扫描电镜(ESEM)等手段对复合菌以及各单菌的电化学性能和生物膜形态进行了鉴定和分析。结果证实了复合菌是一以乳酸菌为优势产电菌种的相互影响的共生体系,光合细菌和放线菌可以产生较多的氧化还原介体来完成复合菌中电子在阳极的转移。在此基础我们对复合菌阳极的电子转移机理进行了简单的分析,认为复合菌是通过细胞表面的膜联物质、纳米线以及菌体分泌的氧化还原介体同时完成阳极的电子转移。
【关键词】:微生物燃料电池 复合菌 生物膜 输出功率 电子转移
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TM911.4
【目录】:
  • 中文摘要2-3
  • Abstract3-8
  • 第一章 文献综述8-28
  • 1.1 微生物燃料电池的产电机理8-12
  • 1.1.1 微生物燃料电池的工作原理8-9
  • 1.1.2 燃料电池中微生物代谢过程的特点9-11
  • 1.1.3 微生物燃料电池的产电菌种11-12
  • 1.1.3.1 微生物燃料电池单一菌种产电体系11-12
  • 1.1.3.2 微生物燃料电池复合菌产电体系12
  • 1.2 微生物燃料电池的类型12-17
  • 1.2.1 利用生物氢型微生物燃料电池12-14
  • 1.2.2 有介体微生物燃料电池14-16
  • 1.2.3 无介体微生物燃料电池16-17
  • 1.3 微生物燃料电池国内外的研究进展17-25
  • 1.3.1 国外研究进展17-23
  • 1.3.1.1 阳极性能对微生物燃料系统的影响17-19
  • 1.3.1.2 阴极性能对微生物燃料电池系统影响的研究19-21
  • 1.3.1.3 微生物燃料电池结构设计的研究进展21-23
  • 1.3.2 国内研究进展23-25
  • 1.4 复合菌的组成及其实际应用25-26
  • 1.4.1 复合菌群的组成25
  • 1.4.2 复合菌群的实际应用25-26
  • 1.5 本论文的目的和内容26-28
  • 第二章 实验部分28-36
  • 2.1 主要试剂和仪器28-30
  • 2.1.1 实验试剂28-29
  • 2.1.2 实验仪器29-30
  • 2.2 检测及方法30-34
  • 2.2.1 指标的测定30-33
  • 2.2.2 循环伏安扫描(CV)33
  • 2.2.3 扫描电镜预处理33-34
  • 2.3 预备实验34-36
  • 2.3.1 培养基的配制34-35
  • 2.3.2 微生物燃料电池35-36
  • 第三章 复合菌产电性能的研究36-48
  • 3.1 复合菌产电性能的研究初步36-37
  • 3.2 驯化培养对复合菌产电性能的影响37-39
  • 3.3 复合菌体系产电分布情况的研究39-41
  • 3.4 搅拌对微生物燃料电池输出电势和输出功率的影响.41-44
  • 3.4.1 高COD 浓度下搅拌对微生物燃料电池性能的影响41-43
  • 3.4.2 低COD 浓度下搅拌对微生物燃料电池性能的影响43-44
  • 3.5 温度对微生物燃料电池产电性能的影响44
  • 3.6. COD 浓度对微生物燃料电池性能的影响44-46
  • 3.7 阳极PH 对微生物燃料电池性能的影响46
  • 3.8 本章小节46-48
  • 第四章 单菌对复合菌燃料电池中介体的影响48-55
  • 4.1 光合细菌(PSB)对微生物燃料电池电子转移的影响48-49
  • 4.2 乳酸菌(LACTOBACILLUS)对微生物燃料电池电子转移的影响49-51
  • 4.3 酵母菌(MICROZYMES)对微生物燃料电池电子转移过程的影响51-53
  • 4.4 放线菌(ACTINOMYCETES)对微生物燃料电池电子转移的影响53-54
  • 4.5 本章小节54-55
  • 第五章 复合菌中各单菌的产电性能55-66
  • 5.1 光合细菌产电性能的研究55-57
  • 5.1.1 光合细菌的电极挂膜培养55
  • 5.1.2 光合细菌产电可行性研究55-56
  • 5.1.3 使用不同燃料光合细菌的产电性能56-57
  • 5.2 乳酸菌产电性能的研究57-59
  • 5.2.1 乳酸菌的电极挂膜培养57
  • 5.2.2 乳酸菌产电的可行性研究57-58
  • 5.2.3 使用不同燃料乳酸菌的产电性能58-59
  • 5.3 酵母菌产电性能的研究59-62
  • 5.3.1 酵母菌的电极挂膜培养59
  • 5.3.2 酵母菌产电可行性研究59-60
  • 5.3.3 使用不同燃料酵母菌的产电性能60-62
  • 5.4 放线菌产电性能的研究62-65
  • 5.4.1 放线菌的电极挂膜培养62
  • 5.4.2 放线菌产电的可行性研究62-64
  • 5.4.3 使用不同燃料放线菌的产电性能64-65
  • 5.5 本章小节65-66
  • 第六章 分析与讨论66-85
  • 6.1 复合菌微生物燃料电池菌种的优化66-68
  • 6.1.1 复合菌中产电菌群的组成优化66-67
  • 6.1.2 复合菌微生物燃料电池启动优化67-68
  • 6.2 复合菌微生物燃料电池操作条件的优化68-73
  • 6.2.1 操作温度的优化.68-69
  • 6.2.2. 启动COD 浓度的优化69-70
  • 6.2.3 阳极操作pH 的优化70-73
  • 6.3 微生物燃料电池产电机理的分析73-80
  • 6.3.1 微生物燃料电池产电菌种的分析73-74
  • 6.3.1.1 单菌对复合菌燃料电池中介体的影响73
  • 6.3.1.2 复合菌中单菌产电性能的分析73-74
  • 6.3.2 产电菌种的CV 分析74-76
  • 6.3.3 产电菌种的ESEM 分析76-79
  • 6.3.4 阳极电子转移机理探讨79-80
  • 6.4 复合菌燃料电池处理实际污水时的性能和效果80-83
  • 6.4.1 系统以啤酒污水为底物时的产电性能和处理效果80-81
  • 6.4.2 以海河乳业污水为底物时的产电性能和处理效果81-83
  • 6.5 本章小节83-85
  • 第七章 结论85-87
  • 参考文献87-93
  • 发表论文和参加科研情况说明93-94
  • 作者简介93
  • 发表论文93-94
  • 致谢94

【参考文献】
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