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《南京理工大学》 2015年
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阳离子交换膜的制备及其在微生物燃料电池的应用

冉冬琴  
【摘要】:环境污染和能源短缺问题越来越严重,能同时处理污废水和产生能源的微生物燃料电池(MFC)被广泛关注和研究。MFC的原理是利用活性微生物降解有机底物(污废水中的污染物),同时得到可利用的能源,例如电能或氢能等。但由于MFC的输出功率低,成本高,使得MFC实际应用受到限制。所以研究如何提高MFC的输出功率成为推进MFC实际应用的重要方向。主要围绕MFC所用的阳离子交换膜及MFC的影响因子展开研究。磺化聚芳醚砜(SPAES)和磺化聚酰亚胺(SPI)膜具有良好的电导率和机械性能,将其应用于MFC中,结果表明:在短期内,MFC的性能主要受离子交换容量(IEC)的影响:IEC高,MFC的内阻低,输出功率密度高,这主要由于膜的质子传导能力和阳极微生物的附着生长的影响。在长期运行中,MFC的输出功率主要跟膜的电导率、阳极微生物和膜的污染有关。高IEC的膜,由于具有更多磺酸基团,膜的亲水性和生物相容性增加,使得膜的抗污能力降低。比较SPAES、SPI膜和商用阳离子交换膜(CEM)在MFC中的性能,SPAES和SPI膜都表现出优于CEM的膜性能和电池性能。同时也研究了操作条件对MFC性能的影响,结果表明:阴极电子受体K3Fe(CN)6浓度为50mM,阳极电极表面积为60cm2,阳离子膜用酸预处理以及增大阳极液体积时,得到的MFC的输出功率密度最大。不锈钢丝网在MFC的长期运行中会发生电化学反应和腐蚀,对微生物产生毒害作用,从而降低MFC的输出功率。选择性能优异的膜材料和最优的操作条件能有效提高MFC的输出功率,有望使得MFC得到实际应用。
【关键词】:微生物燃料电池(MFC) 阳离子交换膜 影响因素
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM911.45;X703
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 绪论10-21
  • 1.1 微生物燃料电池(MFC)的历史10
  • 1.2 MFC的应用10-12
  • 1.3 MFC的原理12
  • 1.4 电子形成过程及传递机理12-14
  • 1.4.1 电子中介体传递13
  • 1.4.2 直接电子传递机理13-14
  • 1.5 MFC的特点14
  • 1.6 MFC的类型14-15
  • 1.7 材料15-16
  • 1.7.1 阳极材料15-16
  • 1.7.2 阴极材料16
  • 1.7.3 分隔膜16
  • 1.8 MFC产电功率的影响因素16-21
  • 1.8.1 产电微生物16-17
  • 1.8.2 阳极底物17
  • 1.8.3 电子传递阻力17-18
  • 1.8.4 阴极电子受体18
  • 1.8.5 质子迁移阻力18-19
  • 1.8.6 操作条件19-21
  • 第2章 实验材料和实验方法21-26
  • 2.1 实验药品和仪器设备21-23
  • 2.1.1 实验药品21-22
  • 2.1.2 仪器设备22
  • 2.1.3 实验药品和试剂的纯化22-23
  • 2.2 性能测试23-26
  • 2.2.1 相对粘度23
  • 2.2.2 离子交换容量(IEC)23
  • 2.2.3 吸水率和尺寸变化23-24
  • 2.2.4 质子电导率24
  • 2.2.5 机械强度24
  • 2.2.6 电化学测试24
  • 2.2.7 极化曲线测试24-25
  • 2.2.8 膜的抗污性能25
  • 2.2.9 傅里叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)测试25-26
  • 第3章 磺化聚芳醚砜膜的制备及在MFC中的性能26-37
  • 3.1 前言26-27
  • 3.2 原料和方法27-28
  • 3.2.1 无规共聚SPAES膜的制备27
  • 3.2.2 双室MFC的构建27-28
  • 3.3 结果与讨论28-35
  • 3.3.1 SPAES膜的基本性能28-29
  • 3.3.2 MFC的启动29-31
  • 3.3.3 SPAES膜在MFC中的性能31-33
  • 3.3.4 SPAES膜污染33-35
  • 3.3.5 内阻和输出功率的关系35
  • 3.4 本章小结35-37
  • 第4章 微生物燃料电池的影响因素37-47
  • 4.1 前言37
  • 4.2 双室MFC的搭建37-38
  • 4.3 结果与讨论38-46
  • 4.3.1 K_3Fe(CN)_6浓度对MFC性能的影响38-40
  • 4.3.2 阳极面积对MFC性能的影响40-42
  • 4.3.3 不锈钢丝网对MFC性能的影响42-44
  • 4.3.4 膜的预处理对MFC性能的影响44-45
  • 4.3.5 阳极体积对MFC性能的影响45-46
  • 4.4 本章小结46-47
  • 第5章 磺化聚酰亚胺膜的制备及在MFC中的性能47-58
  • 5.1 前言47
  • 5.2 实验部分47-49
  • 5.2.1 磺化聚酰亚胺(SPI)的合成47-48
  • 5.2.2 双室MFC48-49
  • 5.3 结果与讨论49-56
  • 5.3.1 不同膜的物理性能49-50
  • 5.3.2 MFC的启动50-52
  • 5.3.3 MFC的功率和长期运行影响52-56
  • 5.4 本章小结56-58
  • 结论58-60
  • 致谢60-61
  • 参考文献61-68
  • 简写目录68-69
  • 附录69

【共引文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 毕慧平;王佳力;陈守文;胡朝霞;高智琳;张轩;王连军;冈本健一;;磺化聚芳醚砜/磺化聚酰亚胺复合质子交换膜的制备与性能研究[J];高分子学报;2010年08期
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3 王飞龙;冉冬琴;张彤;毕慧平;胡朝霞;陈守文;;嵌段磺化聚芳醚砜阳离子交换膜的制备及在MFC中的发电性能研究[J];高分子学报;2014年05期
【二级参考文献】
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8 常丽君;高空“超级细菌”可成发电新能源[N];科技日报;2012年
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10 冉冬琴;阳离子交换膜的制备及其在微生物燃料电池的应用[D];南京理工大学;2015年
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