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《沈阳建筑大学》 2015年
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连续流MFC阳极室反应的数值模拟研究

胡迪  
【摘要】:微生物燃料电池(MFCs)是一种可以利用废水等废物进行产电的绿色能源技术,近年来受到国内外研究者的广泛关注。普通的MFC由阴阳两个极室组成,阳极室中发生的反应众多,涉及电化学、生物化学等学科的交错,仅从宏观角度研究无法全面阐述MFC阳极室内部运行机理。本文采用数值模拟的方法对MFC阳极室内部的运行规律进行深入的研究,建立了包含可溶性化学底物、液相中的非产电微生物、阳极表面生物膜中产电微生物和外加电子中介体的连续流MFC的数学模型。通过模拟不同运行参数条件下MFC阳极室内部物质的变化及传质和产电情况,探讨了 MFC阳极室内部运行规律,进一步阐释了 MFC的运行机理。通过模拟不同有机负荷条件下MFC的开路电压、COD去除率、生物量和功率密度曲线的变化,研究了有机负荷对MFC产电和去污性能的影响。结果表明,随着有机负荷的增加,MFC的开路电压先增大后减小最后趋于平稳;COD去除率先上升后下降,并在有机负荷为200mg/L时达到最大89.1%;在模拟范围内,有机负荷越大,微生物进入快速生长需要的时间越短,最大功率密度越大,但在有机负荷最大时,功率密度到达最大值后迅速衰减,产电性能下降。通过模拟不同水力停留时间条件下MFC开路电压、COD去除率和功率密度曲线的变化,研究了水力停留时间对MFC产电和去污性能的影响。结果表明,随着水力停留时间的增加,MFC的开路电压先增加后减小;COD去除率先增加后趋于平稳;最大功率密度逐渐增加。此外,模拟不同初始产电生物量条件下,MFC中乙酸浓度和极化与功率密度曲线的变化情况。结果说明初始产电生物量越高,乙酸的降解效果越好,最大功率密度值越高。通过模拟不同初始非产电生物量条件下MFC电流、电荷及乙酸浓度随运行时间的变化,研究了微生物种间竞争对MFC性能的影响。发现初始非产电生物量越大,乙酸去除效果越好,产电性能越差。说明多种群微生物的共存虽然有助于提升MFC的去污性能,但也会限制MFC的电能输出。模拟了不同阳极面积和外电阻条件下MFC产电和传质情况。发现阳极面积越大,MFC产电性能越强,传质过程受空间因素的影响越大;外电阻越大,MFC的产电性能越差,传质过程受空间因素的影响越小。对比不同标准氧化还原电势情况下MFC电荷与输出电流随时间的变化情况。结果表明,在一定范围内,标准氧化还原电势越大,产电性能越好;对不同初始中介体浓度情况下MFC电流输出情况进行模拟。发现在一定范围内,MFC的电流随初始中介体浓度增加而增加,但过高的初始中介体浓度会使系统处于“氧化”状态,,对MFC系统的产电产生负面影响。
【学位授予单位】:沈阳建筑大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X703;TM911.45

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