无膜微生物燃料电池性能特性与应用拓展研究

【摘要】：微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,简称MFC)是一种可以将废水中有机物所蕴含的能量进行回收利用的新型可再生能源装置。它利用阳极室内的产电微生物将废水中的有机物降解并用于产电,从而达到污水处理与产电相结合的目的。微生物燃料电池在处理废水的同时回收了能源,可较大程度降低污水处理的运行成本。目前微生物燃料电池性能仍较低,若能大幅提高微生物燃料电池性能,将大大改善传统的污水处理方式能耗大,成本高,只有投入没有产出的缺陷,进而使污染物处理成为一种有利可图的行业。 无膜微生物燃料电池是目前微生物燃料电池研究的重要方向之一。目前,无膜微生物燃料电池的研究大多着重于阴阳极材料、电解质溶液方面的研究,而未针对阳极侧传质过程对电池的影响进行研究。本论文首先构建了无膜微生物燃料电池,研究了蛇形和交指型两种阳极流场型式对无膜MFC产电性能、生物膜生长状态、阳极性能和阴极性能的影响。在此基础上,本文将无膜微生物燃料电池技术与膜生物反应器技术相结合,构建了可处理有机废气的微生物燃料电池,从而实现了有机废气处理和产电的目的。本文研究成果如下: ①提出并构建了带有蛇形和交指型阳极流场的两种新型无膜MFC。研究发现,在0.5mL/min的培养基流速下,以100Ω电阻进行培养,蛇形流场无膜MFC性能要优于交指型流场无膜MFC。蛇形无膜MFC的最大功率密度约高100mW/m~2,而最大电流密度约高500mA/m~2。实验发现,交指型流场MFC阴极侧电极表面被从阳极迁移过去的微生物所附着。从而使得交指型流场无膜MFC阳极腔室侧电极表面的生物膜厚度明显大于蛇形流场无膜MFC。这将导致电池内阻增大、阴极催化剂毒化,造成微生物燃料电池产电性能下降。 ②无膜型MFC中间腔室厚度对电池性能影响较大。当中间腔室厚度为2cm时,电池性能最佳,中间腔室厚度越大,电池内阻越大;而中间腔室厚度越小,阴极至阳极的氧气渗透量增加,这都导致无膜MFC性能的下降。 ③提出并构建了能够同时处理有机废气和废水的新型无膜微生物燃料电池,且实验验证了该MFC不仅可以有效降解挥发性有机废气,而且能够产生电能。通过电池的启动实验证实了阳极生物膜生长对有机废气降解和产电的重要性。实验表明,产电菌也可以生长在憎水表面,甲苯废气可以支持产电菌的生长。 ④可处理有机废气的无膜微生物燃料电池的性能实验表明,电池于100Ω电阻启动时其产电性能较差:其开路电压约为280mV,最大功率密度约为0.55mW/m~2,最大电流密度约为12.5mA/,当使用较大电阻5000Ω进行启动时,电池开路电压可达450mV,最大功率密度可达4.5mW/m~2,而最大电流密度可达40mA/m~2。 ⑤甲苯气体流速和浓度对电池的甲苯降解性能有较大影响。当甲苯气体浓度一定时,随着甲苯流速的增大,甲苯的降解量增大,但甲苯的降解效率降低。当甲苯流速一定时,随着甲苯浓度的升高,甲苯降解量先持续增加,而后基本维持在8g/m~3min左右,但甲苯降解效率则先维持在70%左右,而后下降至50%。