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《江苏理工学院》 2015年
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微生物燃料电池产电性能及处理含铜重金属废水的研究

印霞棐  
【摘要】:随着现代重工业的发展,电镀、金属冶炼、石油工业、农药生产等行业均会产生大量含铜废水,若不经处理直接排放到环境中会产生巨大的危害。电化学法操作方便、不产生二次污染、高效快速,可直接回收金属铜,但电解法能耗高,处理高浓度废液时尚可产生较为可观的经济效益,但是电流效率随着浓度的降低而降低,这限制了电解法在低浓度废水处理中的推广应用。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是利用微生物的新陈代谢作用将化学能转化为电能的装置,用MFC产生的电流可以代替电解法处理含铜废水技术中的传统电源,解决了电解法处理含铜废水能耗过高的问题。实验构建双室MFC反应器,以模拟有机废水为阳极基质,以厌氧活性污泥为阳极菌种,以硫酸铜废水为阴极液,考察电极、膜、负载和温度等运行参数对MFC产电性能的影响。结果表明:活性炭/石墨棒为电极材料的MFC产电性能最高,功率密度最大6.9 m W·m-2。电极距离为2 cm时MFC功率密度最大48.4 m W·m-2,MFC的产电性能随电极表面积的增大而增大。使用美国杜邦质子交换膜的MFC产电性能最高,MFC产电性能随膜的面积的增加而增大。MFC的外阻不断增大,MFC的输出电压随之提高,输出电流则不断减小。25℃时MFC产电性能最强,MFC的最大功率密度为4.8 m W·m-2。实验考察了MFC阳极有机废水处理及其产电性能,分别以1000 mg·L-1的蔗糖溶液、1000 mg·L-1的乙酸钠溶液、1000 mg·L-1的六次甲基四胺溶液为阳极燃料,结果表明:乙酸钠为阳极燃料时MFC产电性能最高,MFC产电性能随阳极液浓度的增加而提高。添加磷酸盐缓冲溶液大大提高MFC的产电能力,最大电流密度达到4.44 m A·m-2。MFC对阳极室废水COD的去除率达到60~80%左右。使用显微镜、透射电镜观察阳极生物膜,发现阳极液中存在着菌胶团、原生动物、微型后生动物等。实验考察了MFC对模拟含铜废水的处理效果,构建了双室MFC,分别以5000 mg·L-1的Cu SO4溶液、5000 mg·L-1的Cu Cl液、5000 mg·L-1的 Cu(NO3)液为阴极液,结果表明:Cu SO4溶液为阴极液时MFC产电性能最高,MFC产电性能随阴极液浓度的增加而提高。阴极室中Cu2+去除率可达80%~92%。阴极板上红褐色沉积物经XRD检测,主要为单质铜和Cu2O的混合物,Cu2+含量可达74%~85%左右。实验构建了5种构型的MFC装置——SMFC、H型MFC、矩形MFC、U型MFC、双室无膜折流板式MFC,SMFC的产电性能最好,H型MFC的产电性能最低。5种构型的MFC均可有效处理含铜废水,但SMFC无法回收铜,利用扫描电镜观察沉积物表面形貌主要为花状和树枝状,铜粉的平均粒径为1000 nm~2000 nm左右。实验分别构建间歇流MFC与连续流MFC,连续流MFC产电性能略优于间歇流MFC。实验以铜渣浸出液为阴极液成功启动MFC装置,最大功率密度为1.33 m W·m-2,阴极液中Cu2+的去除率达到88.5%。
【关键词】:微生物燃料电池 产电性能 废水处理 铜回收
【学位授予单位】:江苏理工学院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X703;TM911.45
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-10
  • 第一章 绪论10-22
  • 1.1 研究背景10-11
  • 1.2 微生物燃料电池研究现状11-17
  • 1.2.1 微生物燃料电池工作原理11-12
  • 1.2.2 微生物燃料电池基础研究现状12-15
  • 1.2.3 微生物燃料电池应用领域研究进展15-17
  • 1.3 含铜废水处理现状研究17-20
  • 1.3.1 含铜废水的来源与危害17
  • 1.3.2 含铜废水的处理方法17-20
  • 1.4 微生物燃料电池处理重金属废水研究现状20-21
  • 1.5 研究目的意义21-22
  • 第二章 材料与方法22-29
  • 2.1 试验装置22-23
  • 2.2 试验材料23-24
  • 2.2.1 实验仪器和试剂23-24
  • 2.2.2 菌种来源和培养液24
  • 2.2.3 电极的预处理24
  • 2.2.4 膜的预处理24
  • 2.3 评价指标与分析方法24-27
  • 2.3.1 产电性能24-25
  • 2.3.2 废水处理25
  • 2.3.3 微生物形态表征25-26
  • 2.3.4 阴极产物26-27
  • 2.4 研究内容和技术路线27-29
  • 2.4.1 研究内容27
  • 2.4.2 技术路线27-29
  • 第三章 微生物燃料电池产电性能影响因素分析29-49
  • 3.1 电极对产电性能的影响29-41
  • 3.1.1 电极材料29-33
  • 3.1.2 电极间距33-36
  • 3.1.3 电极表面积36-41
  • 3.2 膜对产电性能的影响41-45
  • 3.2.1 膜种类41-43
  • 3.2.2 膜面积43-45
  • 3.3 负载对产电性能的影响45-47
  • 3.4 温度对产电性能的影响47-48
  • 3.5 本章小结48-49
  • 第四章 微生物燃料电池阳极有机废水处理及其产电性能49-61
  • 4.1 底物生物降解及其对产电性能的影响49-55
  • 4.1.1 底物种类49-52
  • 4.1.2 底物浓度52-55
  • 4.2 缓冲溶液对电池性能的影响55-57
  • 4.2.1 缓冲溶液对MFC产电性能的影响55-56
  • 4.2.2 废水处理56-57
  • 4.3 阳极生物膜对产电性能的影响57-60
  • 4.3.1 电化学活性分析57-58
  • 4.3.2 形貌分析58-60
  • 4.4 本章小结60-61
  • 第五章 微生物燃料电池阴极含铜废水处理及其产电性能61-95
  • 5.1 模拟含铜废水处理61-72
  • 5.1.1 产电性能61-65
  • 5.1.2 铜离子去除率65-66
  • 5.1.3 阴极还原产物66-72
  • 5.2 微生物燃料电池结构对含铜废水处理的影响72-87
  • 5.2.1 装置的构建72-75
  • 5.2.2 产电性能75-77
  • 5.2.3 废水处理77-78
  • 5.2.4 阴极还原产物78-87
  • 5.3 连续流与间歇流微生物燃料电池处理含铜废水87-90
  • 5.3.1 产电性能87-88
  • 5.3.2 废水处理88
  • 5.3.3 阴极还原产物88-90
  • 5.4 微生物燃料电池处理铜渣的研究90-93
  • 5.4.1 产电性能90-93
  • 5.4.2 铜渣处理效果93
  • 5.5 本章小结93-95
  • 第六章 结论与展望95-97
  • 6.1 结论95-96
  • 6.2 展望96-97
  • 参考文献97-111
  • 攻读学位期间研究成果111-112
  • 致谢112

【参考文献】
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