收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

微生物燃料电池中多元生物质产电特性与关键技术研究

王鑫  
【摘要】: 有机废水处理是能源密集型综合技术,高能耗是其主要问题之一。在世界性能源危机的环境中,传统的废水处理技术不仅导致了较高的化石能源需求,而且有机物降解和能耗造成了大量的碳排放,引发了一系列新的环境问题。微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是21世纪环境工程领域新兴的废水处理同步能源回收技术,能在胞外产电菌的作用下将有机废物中的化学能直接转化为电能,然而目前产电机理尚不清晰。考虑到未来应用,MFC成本过高以及产电过程中的影响机制有待进一步研究。本论文围绕多元生物质在MFC中的转化规律、新型电极材料的开发和双室MFC的低成本运行规律,其目的是降低MFC技术的成本,将MFC技术推向市场化。 本文首次验证了啤酒废水可以直接作为MFC底物产电。在单室空气阴极方形MFC中,以啤酒废水中的土著微生物为接种菌源,全浓度废水为底物,获得了最大功率密度为205mW·m-2(30℃)。温度影响了阴极电位,20℃下功率密度降低至170 mW·m-2,但COD去除率和库仑效率(CE)变化不大。加入50和200mmol·L-1 PBS后功率密度上升。随废水浓度的升高,CE降低而功率密度线性升高。秸秆汽爆洗液同样也可以作为阳极廉价底物产电,最大功率密度644mW·m-2。电导率的变化影响了阳极电位,使功率密度先上升而后下降。而PBS浓度升高使阴极区表面pH缓冲能力增强,提高了阴极性能。在纤维素糖化菌群(H-C)和产电菌的协同作用下,首次在MFC中实现了天然固体秸秆产电,获得了331mW·m-2的最大功率密度。将底物更换为汽爆秸秆后,最大功率密度升高至406mW·m-2。微生物群落演替分析表明,体系中可能的产电菌为Rhodopseudomonas palustris。 开发出了基于低成本碳纤维布的阳极材料和Nafion/PTFE新型阴极粘结剂材料,使MFC的单位容积和单位功率成本降低70%以上。使用碳纤维布替代传统E-TEK碳布后,阳极成本降低了75%,功率输出提高了7%。未经预处理的碳纤维布产电性能较差。使用马弗炉对碳纤维布进行热处理后(450℃,30min)获得了922mW·m-2的最大功率密度,比只经过丙酮清洗的碳纤维布阳极高3%,仅比高温氨处理的碳布低7%。预处理提高MFC性能的机理是:丙酮清洗和热处理是通过去除电极表面影响电子传递的杂质,提供了更大的电化学活性表面积,促进了产电过程进行。高温氨处理后除清洁作用外,表面N/C原子个数比与热处理相比升高了近1倍(由2.9%升高至4.6%),说明氨处理过程中生成的含氮官能团(如胺基)对产电过程有促进作用。在此基础上,使用重氮盐向碳布表面连接不同含量的胺基,测试了胺基含量对产电性能的影响。在较低的胺基含量下,MFC的功率输出并无显著变化。当官能团比重上升至0.4%和0.9%后,MFC的功率密度有显著提升,最大功率密度与氨处理电极相同,阳极表面的微生物蛋白含量也与氨处理电极相近。然而过量的胺基连接量抑制了微生物的生长,降低了功率输出。开发出了廉价空气阴极Nafion-PTFE催化剂粘结剂,降低了阴极成本。发现MFC的最高功率输出随粘结剂中Nafion含量线性增加。经过25个周期运行后,Nafion为粘结剂的MFC获得的CE为20-29%,而粘结剂中加入PTFE略微降低CE至17-26%,而所有MFC最高电压输出变化不大。 发现了阳极恒定+200mV(Ag/AgCl)电位加速启动,降低了MFC运行成本。启动期内恒电位系统较高的输出电流是由于阳极恒定正电位提高了底物氧化推动力造成的。启动完成后,不同方法启动的MFC性能相同。进一步的研究表明,阳极电位在-400mV至+200mV(Ag/AgCl参比)范围内,随着阳极电位升高最大输出电流升高,而最高电流获得的时间缩短。但当阳极电位进一步升高至+400mV,峰电流却降低至6.9mA。CE随阳极电位的升高而增大,低电位下(-400mV至0mV)的CE较低主要是由于氢气甲烷的产生造成的。升高阳极电位可以提高产电菌氧化底物的推动力,从而在竞争中有效抑制发酵气体生成。在较高的阳极电位下微生物生长获得的电量比例降低,生长受到抑制。 构建了无曝气双室微生物碳捕获电池(MCCs),通过在阴极溶液中培养小球藻(Chlorella vulgaris)原位捕获阳极产生的CO2,同时产生O2供给阴极作为电子受体,消除了双室MFC阴极高能耗高成本的曝气过程,最大功率密度为5.6W·m-3。CV和DO测试结果表明MCC阴极反应的机理是藻类光合产氧,然后氧气被还原,周期内阳极室产生的所有气态CO2均被捕获。碳平衡计算表明MCC的碳捕获率高达94±1%,为废水的零碳排处理提供了新方法。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 温青;吴英;王贵领;赵立新;孙茜;孔凡英;;双极室联合处理啤酒废水的微生物燃料电池[J];高等学校化学学报;2010年06期
2 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[J];农业工程学报;2011年S1期
3 潘朝智;牛冬杰;黄慧;穆罕默德·阿里;;微生物燃料电池的研究进展与展望[J];工业水处理;2010年12期
4 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
5 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
6 宋天顺;叶晔捷;徐源;陈英文;沈树宝;;直接微生物燃料电池的影响因素[J];化学工程;2009年12期
7 刘晶晶;孙永明;孔晓英;李连华;李颖;田沈;杨秀山;袁振宏;;微生物燃料电池中底物的研究进展[J];环境科学与技术;2011年06期
8 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
9 赵世辉;李友明;万小芳;莫光权;;TMP制浆废水同步生物处理与微生物燃料电池产电研究[J];中国造纸;2010年11期
10 汪家权;黄敏;朱承驻;;污水厌氧生化处理与微生物燃料电池的结合探讨[J];合肥工业大学学报(自然科学版);2007年04期
11 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
12 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
13 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
14 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
15 文伟河;;国外动态[J];生物加工过程;2009年06期
16 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
17 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
18 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
19 叶茜;李学亚;;微生物与清洁能源[J];中国资源综合利用;2006年06期
20 崔龙涛;左剑恶;范明志;;处理城市污水同时生产电能的微生物燃料电池[J];中国沼气;2006年04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 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
5 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
6 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
7 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
8 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
9 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
10 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
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
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
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 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
5 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
6 付磊;微生物燃料电池SPG和PB/PANI氧还原阴极的研究[D];大连理工大学;2010年
7 李贺;折流板管状空气阴极微生物燃料电池构建及产电特性研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 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
9 杨永刚;微生物燃料电池的电子传递方式及其在典型有机污染物降解中的应用研究[D];华南理工大学;2011年
10 许凤玲;海洋生物膜的电活性及其在微生物燃料电池中的应用基础研究[D];中国科学院研究生院(海洋研究所);2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵世辉;双室型微生物燃料电池在制浆废水处理中的应用研究[D];华南理工大学;2011年
2 武晨;微生物燃料电池处理苯胺废水的产电特性研究[D];天津理工大学;2011年
3 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
4 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
5 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
6 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
7 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
8 李永霞;海底沉积物微生物燃料电池模型的建立及一株海洋细菌新种的分类鉴定[D];中国海洋大学;2011年
9 史海凤;微生物燃料电池的阻抗特性以及在生物阴极实现硝化的研究[D];华东理工大学;2012年
10 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
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 高德运 徐彬;圣农:废水不外流[N];闽北日报;2011年
6 罗涟浩 张如新 尚立峰;用多少原料出多少废水全部记录[N];宁波日报;2010年
7 华羽;为“小鼠减肥”获奖叫好[N];光明日报;2009年
8 张芮;希腊从芝士副产品中回收能源[N];中国石化报;2010年
9 本报记者 顾鑫;常州废水厂30年经营权寻买主[N];中国证券报;2011年
10 郭明波/译;“喂喂我吧!”机器人也要吃![N];北京科技报;2000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
  • 010-62982499
  • 010-62783978