基于單室微生物燃料電池耦合的微生物燃料電池堆和產(chǎn)氫反應(yīng)器性能強(qiáng)化.pdf

1、能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題是21世紀(jì)制約著人類的生存和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展的兩大難題。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,環(huán)境問(wèn)題尤其是水體污染日益突出,環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到全社會(huì)的高度重視。同時(shí)傳統(tǒng)污水處理行業(yè)一直具有“高投入、零產(chǎn)出”的特點(diǎn)。因此,為保證人類的可持續(xù)發(fā)展,尋求清潔新能源和新的污水處理工藝是當(dāng)務(wù)之急。在此背景之下,微生物燃料電池(Microbial fuel cell,MFC)作為一種新型生物能源技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。MFC是一種利用產(chǎn)電菌作為陽(yáng)極催化

2、劑,直接將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為電能的裝置。由于其在處理廢水的同時(shí)產(chǎn)生電能這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì),最有希望作為一種可以產(chǎn)生效益的廢水處理技術(shù),因而受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　目前而言,MFC性能還較低,其單電池正常工作電壓僅為0.5V左右,電流也僅為十幾 mA左右,尚不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。本文結(jié)合單、雙室電池各自的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建了基于單雙室 MFC耦合的串/并聯(lián)電堆,研究了串/并聯(lián)電堆單元和電堆在不同運(yùn)行方式下的性能特性。研究中發(fā)現(xiàn)串聯(lián)電

3、堆中子電池反極是電堆性能提升的限制性因素。針對(duì)以上現(xiàn)象,本文又對(duì)串聯(lián)電堆子電池發(fā)生反極現(xiàn)象的原因進(jìn)行了研究并提出了改善措施。同時(shí),本文研究發(fā)現(xiàn)單室MFC在MFC電堆中具有獨(dú)特的pH調(diào)節(jié)作用,能顯著提高下游子電池的性能,從而提升整個(gè)電堆的性能?；谶@一獨(dú)特優(yōu)勢(shì),文中還將空氣陰極單室電堆與到光合產(chǎn)氫反應(yīng)器(Photosythenic bioreactor,PBR)進(jìn)行耦合,利用單室MFC的pH調(diào)節(jié)功能,調(diào)節(jié)上游產(chǎn)氫反應(yīng)器廢液的pH后通入下游

4、產(chǎn)氫反應(yīng)器中,促使整個(gè)反應(yīng)器系統(tǒng)產(chǎn)氫性能和有機(jī)物降解性能的提升。本文的主要研究成果如下:
　　(1)基于單雙室耦合的MFC串/并聯(lián)堆性能特性研究
　　結(jié)合單室與雙室MFC單電池,構(gòu)建了基于單雙室耦合的MFC電堆單元,并以電堆單元構(gòu)建MFC電堆,研究了電堆單元和電堆的性能特性。結(jié)果表明:雙室-雙室MFC電堆單元在續(xù)批運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的底物酸化,限制了下游MFC性能;雙室-單室MFC電堆單元在續(xù)批運(yùn)行中底物pH保持中性,電壓

5、平臺(tái)能維持較長(zhǎng)時(shí)間;雙室-單室MFC電堆單元在電路串聯(lián)及并聯(lián)條件下,均優(yōu)于雙室-雙室MFC電堆單元和單室-單室MFC電堆單元;雙室-單室電堆單元的pH調(diào)節(jié)作用主要是由于有機(jī)酸在單室 MFC的陰極生物膜與空氣中氧氣發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水,消除了雙室MFC堆積的氫離子產(chǎn)物所致。本文還使用雙室-單室MFC電堆單元構(gòu)建了水路串聯(lián)電路串連的由四個(gè)MFC組成的電池堆(電堆DSDS),并對(duì)電堆在連續(xù)流和序批運(yùn)行方式下的性能進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:電堆

6、DSDS在續(xù)批運(yùn)行過(guò)程中底物pH保持中性;前后電堆單元電壓輸出較為一致,使得電堆反極推遲,并能維持較長(zhǎng)的電壓平臺(tái);由于反極的推遲使得電堆獲得了較高的底物去除率和有效庫(kù)倫效率。
　　(2)串聯(lián)電堆子電池發(fā)生反極現(xiàn)象的原因及改善措施研究
　　針對(duì)串聯(lián)電堆中存在的子電池電壓反極現(xiàn)象,構(gòu)建了MFC電堆,對(duì)MFC電堆性能和單電池性能特性進(jìn)行了研究,分析了子電池產(chǎn)生反極的原因并提出了相應(yīng)的改善措施。研究結(jié)果表明:對(duì)于水路獨(dú)立、電路串聯(lián)的

7、MFC電池堆,MFC單電池的最大輸出電流決定了電堆的最大輸出電流;電堆中輸出電流最小的MFC會(huì)首先發(fā)生反極;在發(fā)生反極時(shí),反極MFC的陽(yáng)極電位驟升,同時(shí)伴隨氧氣的產(chǎn)生;由于低電阻下啟動(dòng)的MFC單電池能產(chǎn)生能產(chǎn)生更大的電流,因此由此構(gòu)建的電堆可獲得更大的輸出電流和最大功率密度。過(guò)高的陽(yáng)極電位會(huì)使陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣;由于低電阻下啟動(dòng)的MFC具備更利于傳質(zhì)的生物膜,使用低電阻啟動(dòng)的MFC構(gòu)建電堆可以使得電堆的最大輸出電流及功率得到提升。
　　

8、(3)空氣陰極電堆與PBR耦合系統(tǒng)性能特性研究
　　由于單室MFC具有調(diào)節(jié)底物pH的特性,考慮到多級(jí)串聯(lián)PBR同樣存在底物酸化問(wèn)題,本文進(jìn)一步構(gòu)建了單室 MFC電池堆,并將其應(yīng)用于多級(jí)串聯(lián) PBR系統(tǒng),構(gòu)建了PBR-MFCs-PBR耦合系統(tǒng)。結(jié)果表明:通過(guò)使用同種菌種接種啟動(dòng)PBR和MFC電堆,可使系統(tǒng)在連續(xù)流條件下實(shí)現(xiàn)多級(jí)PBR入口底物pH的不間斷調(diào)節(jié),而不會(huì)造成菌種污染;SMFC電堆的調(diào)節(jié)作用使得系統(tǒng)整體性能得到顯著提升,相比