收藏本站
《河南师范大学》 2014年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

微生物燃料电池产电性能及处理偶氮染料废水研究

郭伟  
【摘要】:近年来兴起和快速发展的微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)技术能直接利用废水中多种有机物作为燃料,在降解污染物的同时直接收获电能,是一种革命性的废水处理工艺,受到国内外学者的广泛关注。目前限制MFC实际应用的一个关键问题就是输出功率较低。在影响其功率输出的诸多因素中,阳极因为影响微生物的吸附和生长代谢,以及电子从微生物到电极之间的传递而被认为是一个关键因素。目前广泛采用的商业化的碳基材料存在比表面积有限,电化学活性较小等不利因素。利用能增加电极比表面积和促进电子传递的某种电活性材料对碳材料表面进行修饰是一种行之有效的解决方法。 本文从产电和废水处理两方面着手,探索借助阳极修饰的方法提高MFC产电性能的可行性;并以典型偶氮染料甲基橙为目标污染物,考察甲基橙在MFC中的脱色效果及同步产电性能。论文主要研究内容和成果如下: (1)用柠檬酸盐还原氯金酸的方法制备粒径约为20nm的金纳米粒子。首次利用层层组装技术将金纳米粒子修饰到碳纸电极表面,并利用紫外-可见光谱监测了薄膜的规律生长。循环伏安和电化学交流阻抗实验表明:纳米金修饰碳纸电极较空白碳纸电极表现出更好的电化学行为,包括更大的电活性表面积,更快的电子转移速率及更小的界面电子传递阻力。相比空白碳纸阳极组装的MFC,利用纳米金修饰碳纸阳极组装的MFC达到最大输出功率346mW m-2,提高了50%,启动时间为175h,缩短了36%。实验结果表明:层层组装技术是将纳米金修饰到碳纸电极上的一种简单有效的方法,而且利用该修饰电极能够有效提高微生物燃料电池的产电性能。 (2)利用化学还原氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)的方法制备并表征了石墨烯(Graphene, GR)。采用层层组装技术将石墨烯修饰到碳纸电极表面,并探讨该方法能否有效提高MFC的电能输出和对甲基橙的高效去除。循环伏安和电化学交流阻抗实验表明:石墨烯修饰碳纸电极较空白碳纸电极表现出更好的电化学行为。扫描电子显微镜结果显示:修饰电极表面的粗糙度增加,有利于更多的细菌附着在阳极表面。相比空白碳纸阳极组装的MFC,利用石墨烯修饰电极作为阳极的MFC达到最大输出功率368mWm-2,提高了51%,启动时间为180h,缩短了31%。阳极和阴极极化曲线表明:两种反应器的阴极电压之间没有明显区别,而阳极电压存在明显区别,这说明提高微生物燃料电池能量输出的关键是石墨烯修饰阳极,而不是阴极。同时,相比于空白阳极MFC,石墨烯修饰阳极MFC在实现更高能量输出的同时,还实现了更高效的甲基橙去除,脱色率提高11%,COD去除率提高16%。该研究为提高微生物燃料电池的产电性能和甲基橙同步脱色提供了一种简单有效的方法。 (3)采用所构建的双室方形微生物燃料电池处理甲基橙模拟废水。在进水甲基橙浓度为50-800mg L1、共基质(葡萄糖)浓度为0-2.0mg L1的条件下,系统考察了MFC对甲基橙的脱色效果和同步产电的影响。在MFC以甲基橙-葡萄糖为混合燃料连续工作6个月后,通过生物多样性分析揭示了阳极生物膜微生物组成的基本信息。结果发现:在一定浓度范围内,阳极室中加入的甲基橙对微生物燃料电池产电有积极的促进作用。当使用1g L-1葡萄糖为单一燃料时,MFC的最大输出电压为565mV,当在阳极液中添加甲基橙浓度分别为50、100、200、300和500mg L1时,MFC的最大输出电压分别提高至658、640、629、617和605mV。从脱色方面看,甲基橙在MFC中可以实现加速脱色,相比于开路情况(相当于普通厌氧反应器),反应8h后甲基橙在MFC中的脱色率提高了57%;在葡萄糖浓度一定的条件下,随着甲基橙负荷的增加,脱色效率随之下降。另外,研究发现共基质的存在对甲基橙的高效脱色和同步产电是必须的。在所研究共基质浓度范围内,共基质浓度越大,脱色效率和COD去除效率越高,同时输出电压也越大。而在无共基质存在的条件下,8h内MFC对300mg L-1甲基橙的脱色率仅为7.5%,最大输出电压仅为140mV。454-高通量测序揭示了阳极生物膜的微生物种群基本信息,经NCBI网站比对的测序结果表明:经过长时间的驯化,阳极生物膜已经优化出了对甲基橙具有降解能力的Bacteroidia、Desulfovibrio和Trichococcus及其适合产电的Geobacter两大菌群。
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:X788;TM911.45

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 黄霞;梁鹏;曹效鑫;范明志;;无介体微生物燃料电池的研究进展[J];中国给水排水;2007年04期
2 丁巍巍;汪家权;吕剑;夏雪兰;;微生物燃料电池处理苯酚废水[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2010年01期
3 姚素薇;邹毅;张卫国;;金纳米粒子的特性、制备及应用研究进展[J];化工进展;2007年03期
4 蔡小波;杨毅;孙彦平;张良;肖瑶;赵海;;微生物燃料电池利用甘薯燃料乙醇废水产电的研究[J];环境科学;2010年10期
5 曹效鑫;梁鹏;黄霞;;“三合一”微生物燃料电池的产电特性研究[J];环境科学学报;2006年08期
6 刘宏芳;郑碧娟;;微生物燃料电池[J];化学进展;2009年06期
7 李泉,曾广赋,席时权;纳米粒子[J];化学通报;1995年06期
8 刘士姮,汪世龙,孙晓宇,李文哲,倪亚明,王文峰,王敏,姚思德;脉冲辐解技术研究偶氮染料甲基橙水相降解的微观机理[J];化学学报;2004年08期
9 谢晴;杨嘉伟;王彬;冷庚;但德忠;;用于污水处理的微生物燃料电池研究最新进展[J];水处理技术;2010年03期
10 温青;孙茜;赵立新;吴英;;微生物燃料电池对废水中对硝基苯酚的去除[J];现代化工;2009年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 莫光权;功能化碳纳米管材料在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
2 王鑫;微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李大成,周大利,刘恒,张萍,陈朝珍;超微粒子的概念、性质及应用[J];四川有色金属;1999年03期
2 赫丽华,宁荣昌,孔杰;纳米粒子在聚合物增强增韧中的应用[J];工程塑料应用;2002年04期
3 黄红祥;纳米材料及其应用[J];安徽化工;2004年02期
4 李燕,朱江,陈祖耀;ZrO_2 纳米粉的制备及其催化作用[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);1998年03期
5 宋成芳;刘世文;;高效光催化剂Ag/AgCl膜的制备及其在日光下降解甲基橙的研究[J];安徽农业科学;2009年18期
6 赵丽坤;闫蕾蕾;李景晨;吕莹莹;郝耀彤;;产电微生物与微生物燃料电池研究进展[J];安徽农业科学;2010年26期
7 庞凤仙;崔彦如;安明哲;张永锋;;能源性微生物的研究现状与应用前景[J];现代农业科技;2009年11期
8 张雪梅,付多才;材料科学新宠——纳米材料[J];安徽农业技术师范学院学报;2000年01期
9 冯青琴;何军志;;介孔纳米γ-Al_2O_3的制备及其吸附性能[J];安阳师范学院学报;2009年02期
10 赵国燕;郭金福;卢印;;Cs_3(HSO_4)_2(H_2PO_4)的制备及其导电性研究[J];安阳师范学院学报;2011年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 高志明;文丽娟;;阴极保护电位对Q235钢氢脆敏感性和力学性能的影响[A];中国腐蚀电化学及测试方法专业委员会2012学术年会论文集[C];2012年
2 刘洋洋;高志明;王震;;阴极保护对Q235钢空泡腐蚀行为影响的研究[A];中国腐蚀电化学及测试方法专业委员会2012学术年会论文集[C];2012年
3 陶长元;薛红涛;刘作华;杜军;范兴;刘仁龙;;聚二乙烯基乙炔的氢氯化改性[A];中国化工学会2011年年会暨第四届全国石油和化工行业节能节水减排技术论坛论文集[C];2011年
4 ;Physiological Role of Azoreductase and Transcriptome Response during Bacterial Decolorization Process[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
5 康嘉杰;徐滨士;王海斗;王成彪;;基于电学方法的再制造零部件缺陷检测与寿命预测应用基础研究[A];2011年全国青年摩擦学与表面工程学术会议论文集[C];2011年
6 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
7 黄小刚;黄晓葛;白武明;;高温高压下矿物岩石电导率的实验研究进展[A];中国科学院地质与地球物理研究所第十届(2010年度)学术年会论文集(上)[C];2011年
8 姚向民;崔锦峰;杨保平;贾均红;;纳米金颗粒在氨基硅烷自组装薄膜上的组装及其摩擦性能研究[A];第七届全国表面工程学术会议暨第二届表面工程青年学术论坛论文集(一)[C];2008年
9 唐俊文;邵亚薇;张涛;孟国哲;王福会;;模拟深海环境中环氧粉末涂层失效行为研究[A];高性能防腐蚀涂装及表面保护技术的应用与发展——第16届全国表面保护技术交流会论文集[C];2011年
10 雍兴跃;侯纯扬;武杰;张正;李栋梁;汪磊;李斌;;氧化铝合金在空化作用下的腐蚀电化学行为[A];2010年全国腐蚀电化学及测试方法学术会议摘要集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 常雪婷;海洋优势菌种附着腐蚀Fe_3Al及其复合材料界面与机理研究[D];中国海洋大学;2010年
2 王洪芬;涉海抗菌耐蚀性TiO_2复合薄膜的制备及其性能研究[D];中国海洋大学;2010年
3 王爱萍;改性纳米二氧化钛薄膜制备及其在模拟海水中光生阴极保护性能研究[D];中国海洋大学;2010年
4 周红洋;硫属化合物纳米材料的可控性合成与表征[D];中国科学技术大学;2010年
5 孙健;微生物燃料电池同步降解偶氮染料和产电的特性与机理[D];华南理工大学;2010年
6 莫光权;功能化碳纳米管材料在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
7 刘璇;量子点电致化学发光新体系及其分析新方法研究[D];南京大学;2010年
8 刘春侠;锗在锌电积中的行为及添加剂作用的研究[D];昆明理工大学;2008年
9 张启波;咪唑基离子液体在锌电沉积中的作用机理研究[D];昆明理工大学;2010年
10 蒋雪松;用于有机磷农药残留检测的免疫生物传感器的研究[D];浙江大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 庞宇;纳米TiO_2的表面改性及其对聚氨酯涂层耐蚀性能的影响[D];南昌航空大学;2010年
2 徐珊;奥氏体不锈钢点蚀行为的研究[D];南昌航空大学;2010年
3 李新义;红壤土壤腐蚀直接、连续监测技术的研究[D];南昌航空大学;2010年
4 梁静;钛合金精密腐蚀加工工艺及机理研究[D];南昌航空大学;2010年
5 郭传华;溶剂热技术合成硫化铁和硫化镍纳米粉体[D];辽宁师范大学;2010年
6 任振伟;高压扭转工艺对生物镁锌钙合金组织及性能的影响[D];郑州大学;2010年
7 吴英;微生物燃料电池处理啤酒废水的实验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 张颖君;聚苯胺对镁合金环氧防护涂层耐蚀性能的影响[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 丛园;缝隙和静水压力环境对316L不锈钢腐蚀行为的影响[D];哈尔滨工程大学;2010年
10 孙茜;微生物燃料电池处理难降解有毒废水实验研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 姚璐;李正龙;刘红;;低强度超声波改善微生物燃料电池产电效能[J];北京航空航天大学学报;2006年12期
2 冯雅丽;李浩然;祝学远;;单室直接微生物燃料电池性能影响因素分析[J];北京科技大学学报;2007年S2期
3 宝玥,吴霞琴;生物燃料电池的研究进展[J];电化学;2004年01期
4 莫志军,胡林会,朱新坚;燃料电池广义内阻的在线测量[J];电源技术;2005年02期
5 魏海娟;黄继国;贾国元;许文峰;;一种快速测定化学需氧量(COD)的方法[J];环境科学与技术;2006年01期
6 刘宏芳,汪梅芳,许立铭;硫酸盐还原菌腐蚀的微生物防治研究进展[J];腐蚀科学与防护技术;2003年03期
7 秦旅;巧制盐桥[J];化学教育;1998年06期
8 邹勇进;孙立贤;徐芬;杨黎妮;;以新亚甲基蓝为电子媒介体的大肠杆菌微生物燃料电池的研究[J];高等学校化学学报;2007年03期
9 王大志;;纳米材料结构特征[J];功能材料;1993年04期
10 黄霞;范明志;梁鹏;曹效鑫;;微生物燃料电池阳极特性对产电性能的影响[J];中国给水排水;2007年03期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 尤世界;微生物燃料电池处理有机废水过程中的产电特性研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 姜珺秋;废水同步生物处理与微生物燃料电池发电的可行性研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
2 李贺;无媒介双室微生物燃料电池运行影响因素的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 孔晓英;李连华;孙永明;袁振宏;吴创之;;微生物燃料电池产能原理及输出功率的影响因素[J];现代化工;2007年S2期
2 宋天顺;叶晔捷;徐源;徐夫元;陈英文;沈树宝;;用于废水处理及产能的微生物燃料电池研究进展[J];现代化工;2008年04期
3 李毅;胡翔;王程远;王瑞林;;微生物燃料电池在废水处理中的应用[J];工业水处理;2008年09期
4 佟萌;杜竹玮;李顶杰;李浩然;;微生物燃料电池型传感器在BOD检测中的应用进展[J];环境监测管理与技术;2008年06期
5 宋娟;赵华章;杨亲正;彭艳丽;;微生物燃料电池阳极修饰的研究进展[J];化学与生物工程;2009年07期
6 文伟河;;国外动态[J];生物加工过程;2009年06期
7 黄燕新;李萍;颜幼平;;微生物燃料电池阳极产电菌的选育[J];广东化工;2010年03期
8 梁波;杨国忠;徐金球;;微生物燃料电池技术净化废水研究进展[J];化工环保;2010年02期
9 陈旸;钱超;钱冬全;王麓;刘龙飞;;以天然混合菌接种的微生物燃料电池产电性能研究[J];常熟理工学院学报;2011年04期
10 张艺;王芳芳;许春玲;;微生物燃料电池在废水处理中的应用进展[J];能源与环境;2011年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王井玉;黄卫民;王璇;林海波;;挂膜方式对微生物燃料电池性能的影响[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
2 黄丽萍;郭瑞;甘琳琳;王宁;;微生物燃料电池生物阳极的五氯酚共代谢降解[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
3 岳学海;赵书菊;郭庆杰;王许云;;床层膨胀高度对厌氧流化床微生物燃料电池产电性能的影响[A];中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会论文集[C];2010年
4 侯彬;胡勇有;孙健;;微生物作为阴极催化剂强化微生物燃料电池同步偶氮染料脱色与产电性能的研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
5 李颖;孙永明;孔晓英;李连华;杨改秀;袁振宏;;菌株Dysgonomonas mossii的分离及产电特性[A];全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集[C];2011年
6 杨改秀;孔晓英;孙永明;;微生物燃料电池阴极催化剂的研究进展[A];全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集[C];2011年
7 张亚平;胡勇有;孙健;侯彬;李斯哲;;碳纳米管负载二氧化锰用作微生物燃料电池阴极催化剂强化氧气还原的研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
8 孙健;胡勇有;侯彬;张亚平;;同步降解偶氮染料与产电的微生物燃料电池长期运行性能[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
9 王鑫;蔡章;周启星;张志能;陈翠红;;利用U型空气阴极微生物燃料电池加速盐碱土石油烃降解[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
10 孔晓英;孙永明;李连华;李东;杨改秀;;不同底物对微生物燃料电池产电性能的影响[A];全国农村清洁能源与低碳技术学术研讨会论文集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 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
2 记者 路平;微生物也可发电[N];广东科技报;2010年
3 ;微生物燃料电池处理污水发电两不误[N];中国环境报;2005年
4 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
5 华羽;为“小鼠减肥”获奖叫好[N];光明日报;2009年
6 张芮;希腊从芝士副产品中回收能源[N];中国石化报;2010年
7 郭明波/译;“喂喂我吧!”机器人也要吃![N];北京科技报;2000年
8 张文;用污水发电同时能为水脱盐[N];中国经济导报;2009年
9 柯济;细菌让污水也能发电[N];兵团日报(汉);2004年
10 刘霞;细菌转运电荷方式首次获得详解[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张叶臻;新型石墨纸和石墨烯在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2013年
2 王凯鹏;电子中介体固定化及其在微生物燃料电池阳极的应用[D];武汉大学;2010年
3 莫光权;功能化碳纳米管材料在微生物燃料电池中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
4 张培远;微生物燃料电池能量特性研究[D];北京工业大学;2011年
5 彭新红;铁(Ⅲ)氧化物修饰微生物燃料电池阳极及其电容特性研究[D];南开大学;2013年
6 王海萍;循环式微生物燃料电池产电性能及其微生物系统发育研究[D];华中科技大学;2013年
7 郭伟;微生物燃料电池产电性能及处理偶氮染料废水研究[D];河南师范大学;2014年
8 张潇源;空气型微生物燃料电池分隔材料、阴极及构型优化[D];清华大学;2012年
9 史昕欣;空气阴极微生物燃料电池阴极结构及催化剂的研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
10 王海萍;循环式微生物燃料电池产电性能及其微生物系统发育研究[D];华中科技大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 常继勇;微生物燃料电池处理生活污水特性研究[D];沈阳建筑大学;2013年
2 陈立香;基于废水处理的微生物燃料电池的研制及基础研究[D];汕头大学;2010年
3 周玲;盐桥连接下微生物燃料电池阳极材料及其应用的研究[D];广东工业大学;2011年
4 李明;无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究[D];重庆大学;2011年
5 吴自润;基于泡沫金属电极的微生物燃料电池产电性能研究[D];华南理工大学;2011年
6 亓召琴;微生物燃料电池系统的技术研究与结构优化设计[D];烟台大学;2012年
7 曹晓燕;微生物燃料电池应用于废水处理关键技术研究[D];合肥工业大学;2012年
8 屈原津;以谷壳及剩余污泥为底物的微生物燃料电池性能研究[D];哈尔滨工程大学;2013年
9 张领艳;微生物燃料电池及介孔磷酸锆阳极材料的电化学研究[D];北京工业大学;2011年
10 李建海;海底沉积物微生物燃料电池阳极表面改性及电极构型研究[D];中国海洋大学;2010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