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文檔簡介
1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells,MFCs)能夠在處理污水的同時,將有機(jī)物中蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,是一種新型的低能耗的水處理技術(shù),成為近年來環(huán)境領(lǐng)域和能源回收領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前電極材料成本過高和產(chǎn)電性能偏低是制約MFC實(shí)際應(yīng)用的主要因素。陽極是影響細(xì)菌生長、電子傳遞以及底物供應(yīng)的關(guān)鍵因素,因此,亟需開發(fā)一種高性能、低成本的陽極材料??諝怅帢O是MFC主要采用的陰極形式,但氧氣還原(ORR)催化劑的性能和價(jià)格成為
2、空氣陰極應(yīng)用的限制因素之一。本文以剩余污泥為碳材料前驅(qū)體材料,采用簡單易行的方法制備了低成本、高性能的污泥基電極和污泥基復(fù)合空氣陰極,在降低電極成本的同時使MFC的功率輸出達(dá)到較高水平,為推動MFC在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
(1)以剩余污泥作為電極材料唯一前驅(qū)體材料,采用在氮?dú)獗Wo(hù)下直接碳化的方法制備了污泥基電極,考察了碳化溫度對電極產(chǎn)電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,碳化溫度增加有利于提升電極的產(chǎn)電性能,當(dāng)碳化溫度在1200
3、℃時,污泥基電極的石墨化程度最高,電極表面積最大,電極中碳含量比例和電極導(dǎo)電率最高。以1200℃碳化的污泥基陽極電極(SSC1200)運(yùn)行的MFC最大輸出功率為2920mW m-2,分別是SSC600電極、SSC800電極和SSC1000電極的輸出功率密度的2.5倍、1.3倍和1.2倍,是商業(yè)化石墨電極的輸出功率密度的5倍。因此,最優(yōu)的污泥基電極碳化溫度為1200℃。
(2)基于上述最優(yōu)污泥基碳化條件下,將工業(yè)廢棄物飛灰為粘合
4、劑按照20%,40%,60%和80%的比例摻入污泥基電極中強(qiáng)化電極性能,研究了其在MFC的性能,并對制備的電極做了系列材料學(xué)表征。掃描電鏡結(jié)果顯示,與未摻入飛灰的污泥電極相比,摻有飛灰的污泥電極表面有洋蔥碳生成,有利于電子傳遞,從而提升電極產(chǎn)電性能。污泥電極中摻入飛灰能顯著提高電極的親水性,有利于產(chǎn)電微生物的附著生長。此外,污泥電極中摻入飛灰后機(jī)械強(qiáng)度提高了約19倍。電極產(chǎn)電性能測試結(jié)果顯示,以飛灰摻入比為20%的污泥碳基電極構(gòu)建的MF
5、C,獲得的最大的輸出功率密度達(dá)3210mW m-2,相比于純污泥碳基電極提高了21%。在污泥電極中摻入飛灰,有助于提高污泥電極的產(chǎn)電性能,作為MFC陽極電極具有巨大的應(yīng)用潛力。
(3)以剩余污泥為碳前驅(qū)體,通過水熱共摻雜Mn、N法成功制備了一種新型的污泥碳基空氣陰極,構(gòu)建MFC,研究其產(chǎn)電性能。EDS和XPS表征結(jié)果顯示,Mn和N原子成功的均勻摻雜入碳骨架中。線性伏安掃描結(jié)果表明Mn、N共摻雜的協(xié)同效應(yīng)更進(jìn)一步提高了空氣陰極的
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