收藏本站
《哈尔滨工业大学》 2015年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

生物阴极微生物燃料电池特性及其与光催化耦合模式的研究

杜月  
【摘要】:随着环境与能源问题日益严重,对清洁、可再生能源的开发和利用逐渐成为研究热点。光催化与微生物燃料电池同属于新兴的能源与环保技术,二者功能相似,同时具有各自的优点与弊端。光催化可以无选择的降解污染物质,但受限于高的空穴/电子复合几率,微生物燃料电池的污染物局限于生物相容性物质,功率输出低,生物阴极的电子传递机制尚不明确。本文围绕生物阴极微生物燃料电池的产电机制与污染物去除效能展开研究,并寻求有效地方式与光催化技术相耦合,使二者扬长避短,提高污染物降解性能,强化系统的产电性能。间歇流运行的生物阴极微生物燃料电池获得的最大功率密度为15.37 W/m3,氨氮硝化率接近100%。电化学性能分析表明生物阴极具有良好的氧气还原催化活性和双电层电容特性。生物阴极的催化反应与微生物的代谢活性之间存在着密切的相互作用,阴极反应依赖于微生物的代谢活性,同时外电路电子可以作为微生物生长代谢的能源,在一定程度上促进阴极硝化反应。生物相分析结果表明,氨氧化菌(Nitrosomonas sp.)和亚硝酸亚氧化菌(Nitrospira sp和Nitrobacter sp.)在硝化型生物阴极中起到重要作用。由于向阴极提供了大量的有机物质,连续流的运行方式提高了生物阴极微生物燃料电池的反硝化效果,从而实现了同步碳氮去除。阴离子交换膜的使用有利于硝酸根向阳极的迁移,TN去除率由49%提高到80%,然而阴离子交换膜容易受到微生物的污染,阴离子的结构复杂,迁移阻力大,造成功率密度降低,不宜作为分隔材料。曝气速率对系统的产能和COD的去除影响不大,但严重制约着硝化效率,曝气速率0.6 L/min是保证氨氮的高硝化率的必要条件。COD/TN同时影响着系统的TN去除和功率输出。COD/TN为26.5时,TN去除率获得最大值(87.2±1.9%),当COD/TN为33.1时,阴极的氧气还原催化活性出现明显下降。本文将生物阴极与光催化阳极耦合构建了生物阴极–光催化燃料电池(BioPEC),同时利用光催化对难降解污染物的快速氧化和生物阴极的廉价、高效与可再生性,Bio-PEC获得的最大功率密度为211.32±3.54 mW/m2,甲基橙降解速率为0.0120 mg/(L·min)。Bio-PEC可以利用各种有机废水进行产电,光催化阳极室废水较高的pH值和厌氧条件有利于提高功率输出,为了保证溶液离子迁移速率,废水的电导率不应低于10~15 mS/cm。为了同时回收光催化产生的电子与微生物氧化产生的电子,本文提出了光催化电池(PEC)与微生物燃料电池的两种耦合方式。在复合阴极耦合模式中,铂碳阴极PEC(Pt/C-PEC)的连接大大降低了铂碳阴极MFC(Pt/C-MFC)的阳极电位,功率密度由780 mW/m2提高到1098 mW/m2。而在复合系统中,Pt/C-PEC回路产生的电流由150μA下降到20μA,甲基橙降解速率由0.0082 min-1下降到0.0007min-1,说明系统通过牺牲Pt/C-PEC的性能提升了Pt/C-MFC的性能。通过将TiO2光催化阳极与微生物阳极共用同一个阴极的连接方式,构建了复合阳极光催化–微生物燃料电池,实现了光能与生物能的同时利用。基于Pt/CPEC与Pt/C-MFC功率输出特性的不同,Pt/C-PEC的连接有效地提高了Pt/CMFC的阴极电位与功率输出。Pt/C-MFC性能的提高以Pt/C-PEC性能的小幅度下降为代价,系统整体性能较单独Pt/C-MFC有明显提高。该种耦合模式还在生物阴极微生物燃料电池中得到验证,可以缓解生物阴极在运行不良情况下产生的电位波动,提高生物阴极的性能。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM911.45

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 连静,祝学远,李浩然,冯雅丽;直接微生物燃料电池的研究现状及应用前景[J];科学技术与工程;2005年22期
2 连静;冯雅丽;李浩然;杜竹玮;;微生物燃料电池的研究进展[J];过程工程学报;2006年02期
3 连静;冯雅丽;李浩然;刘志丹;周良;;直接微生物燃料电池的构建及初步研究[J];过程工程学报;2006年03期
4 关毅;张鑫;;微生物燃料电池[J];化学进展;2007年01期
5 杨冰;高海军;张自强;;微生物燃料电池研究进展[J];生命科学仪器;2007年01期
6 洪义国;郭俊;孙国萍;;产电微生物及微生物燃料电池最新研究进展[J];微生物学报;2007年01期
7 詹亚力;张佩佩;闫光绪;郭绍辉;;微生物燃料电池的研究现状及应用前景[J];科技咨询导报;2007年03期
8 丁平;邵海波;刘光洲;段东霞;麻挺;陈嗣俊;王建明;张鉴清;;应用需盐脱硫弧菌的微生物燃料电池发电研究(英文)[J];电化学;2007年02期
9 园丁;;微生物燃料电池:既处理污水又发电[J];污染防治技术;2007年03期
10 刘登;刘均洪;刘海洲;;微生物燃料电池的研究进展[J];化学工业与工程技术;2007年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 顾忠泽;吴文果;;微生物燃料电池的研究[A];中国化学会第27届学术年会第05分会场摘要集[C];2010年
2 赵峰;;来自废水的能量-微生物燃料电池[A];2010年海峡两岸环境与能源研讨会摘要集[C];2010年
3 李正龙;刘红;孔令才;韩梅;;可利用空间基地有机废物的微生物燃料电池预研[A];中国空间科学学会第16届空间生命学术研讨会论文摘要集[C];2005年
4 孙健;;废水处理新理念——微生物燃料电池技术研究进展[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(一)[C];2007年
5 赵峰;;微生物燃料电池的电子传递及电极反应研究[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
6 付玉彬;;海底微生物燃料电池研究和应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
7 孔晓英;李连华;李颖;杨改秀;孙永明;;葡萄糖浓度对微生物燃料电池产电性能的影响[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
8 袁勇;庄莉;周顺桂;;盘管式微生物燃料电池的构建及其应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
9 喻玉立;袁用波;胡忠;;产电菌的选育及其在微生物燃料电池中的应用[A];广东省科协资助学术会议总结材料[C];2010年
10 陈禧;王炜;彭香琴;刘宇波;幸毅明;;微生物燃料电池结构与材料研究进展[A];2013中国环境科学学会学术年会论文集(第八卷)[C];2013年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 ;微生物燃料电池处理污水发电两不误[N];中国环境报;2005年
2 记者 符王润 通讯员 曾晓舵 李洁尉 刘静;微生物燃料电池有很大挖掘空间[N];广东科技报;2010年
3 萧潇;微生物燃料电池:处理污水发电两不误[N];中国煤炭报;2005年
4 记者 毛黎;微生物燃料电池技术又推进一步[N];科技日报;2006年
5 纪振宇;微生物燃料电池为汽车节能环保提供解决方案[N];中国高新技术产业导报;2008年
6 本报记者 赵亚平;虾兵蟹将派上新用场[N];科技日报;2007年
7 张芮;希腊从芝士副产品中回收能源[N];中国石化报;2010年
8 常丽君;高空“超级细菌”可成发电新能源[N];科技日报;2012年
9 编译 杨孝文;微生物机器人吃苍蝇发电[N];北京科技报;2006年
10 记者 陈勇;美科学家开发出微生物燃料电池[N];新华每日电讯;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄杰勋;产电微生物菌种的筛选及其在微生物燃料电池中的应用研究[D];中国科学技术大学;2009年
2 陶琴琴;微生物燃料电池同步脱氮除磷及产电性能研究[D];华南理工大学;2015年
3 徐磊;微生物燃料电池PB/rGO阴极材料及导电膜自清洁性能研究[D];大连理工大学;2015年
4 臧国龙;基于微生物燃料电池的复杂废弃物处置及光电催化制氢[D];中国科学技术大学;2013年
5 代莹;银/铁—碳基复合体作为微生物燃料电池阴极的性能研究[D];黑龙江大学;2016年
6 龚小波;微生物燃料电池高效电极与界面设计强化产电特性研究[D];哈尔滨工业大学;2016年
7 孙哲;光催化型微生物燃料电池产电特性及对污染物去除研究[D];东华大学;2016年
8 程建萍;微生物燃料电池阴极的功能拓展及机理分析[D];合肥工业大学;2015年
9 孙彩玉;基于BES污水处理—产能研究及微生物群落结构解析[D];东北林业大学;2016年
10 杜月;生物阴极微生物燃料电池特性及其与光催化耦合模式的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张鑫;复合微生物燃料电池的研究[D];天津大学;2007年
2 刘晔;微生物燃料电池强化去除地下水硝酸盐的研究[D];中国地质大学(北京);2015年
3 李瑞博;微生物燃料电池运行因素影响研究[D];兰州大学;2015年
4 周扬;石墨烯聚苯胺修饰电极在双室微生物燃料电池中的应用研究[D];长安大学;2015年
5 庄晓培;碳纳米管复合电极及钯阳极在海底微生物燃料电池中的性能研究[D];中国海洋大学;2015年
6 韩金枝;聚合物改性阳极在海底沉积物微生物燃料电池中的性能研究[D];中国海洋大学;2015年
7 孟瑶;不同条件下含油海底微生物燃料电池性能及降解效应研究[D];中国海洋大学;2015年
8 刘明;生物阴极型微生物燃料电池处理含盐氨氮废水及产电性能的研究[D];中国海洋大学;2015年
9 王健;聚吡咯改性复合阳极在海底微生物燃料电池中的应用及机理研究[D];中国海洋大学;2015年
10 弋舒昱;MFC对土壤污染物的净化效能研究[D];东南大学;2015年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026