無(wú)膜微生物燃料電池性能特性與應(yīng)用拓展研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡(jiǎn)稱MFC）是一種可以將廢水中有機(jī)物所蘊(yùn)含的能量進(jìn)行回收利用的新型可再生能源裝置。它利用陽(yáng)極室內(nèi)的產(chǎn)電微生物將廢水中的有機(jī)物降解并用于產(chǎn)電，從而達(dá)到污水處理與產(chǎn)電相結(jié)合的目的。微生物燃料電池在處理廢水的同時(shí)回收了能源，可較大程度降低污水處理的運(yùn)行成本。目前微生物燃料電池性能仍較低，若能大幅提高微生物燃料電池性能，將大大改善傳統(tǒng)的污水處理方式能耗大，成本高，只有投入沒(méi)有產(chǎn)出的缺陷，進(jìn)

2、而使污染物處理成為一種有利可圖的行業(yè)。
　　無(wú)膜微生物燃料電池是目前微生物燃料電池研究的重要方向之一。目前，無(wú)膜微生物燃料電池的研究大多著重于陰陽(yáng)極材料、電解質(zhì)溶液方面的研究，而未針對(duì)陽(yáng)極側(cè)傳質(zhì)過(guò)程對(duì)電池的影響進(jìn)行研究。本論文首先構(gòu)建了無(wú)膜微生物燃料電池，研究了蛇形和交指型兩種陽(yáng)極流場(chǎng)型式對(duì)無(wú)膜MFC產(chǎn)電性能、生物膜生長(zhǎng)狀態(tài)、陽(yáng)極性能和陰極性能的影響。在此基礎(chǔ)上，本文將無(wú)膜微生物燃料電池技術(shù)與膜生物反應(yīng)器技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了可處理有

3、機(jī)廢氣的微生物燃料電池，從而實(shí)現(xiàn)了有機(jī)廢氣處理和產(chǎn)電的目的。本文研究成果如下：
　　①提出并構(gòu)建了帶有蛇形和交指型陽(yáng)極流場(chǎng)的兩種新型無(wú)膜MFC。研究發(fā)現(xiàn)，在0.5mL/min的培養(yǎng)基流速下，以100Ω電阻進(jìn)行培養(yǎng)，蛇形流場(chǎng)無(wú)膜MFC性能要優(yōu)于交指型流場(chǎng)無(wú)膜MFC。蛇形無(wú)膜MFC的最大功率密度約高100mW/m2，而最大電流密度約高500mA/m2。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，交指型流場(chǎng)MFC陰極側(cè)電極表面被從陽(yáng)極遷移過(guò)去的微生物所附著。從而使得交指

4、型流場(chǎng)無(wú)膜MFC陽(yáng)極腔室側(cè)電極表面的生物膜厚度明顯大于蛇形流場(chǎng)無(wú)膜MFC。這將導(dǎo)致電池內(nèi)阻增大、陰極催化劑毒化，造成微生物燃料電池產(chǎn)電性能下降。
　?、跓o(wú)膜型MFC中間腔室厚度對(duì)電池性能影響較大。當(dāng)中間腔室厚度為2cm時(shí)，電池性能最佳，中間腔室厚度越大，電池內(nèi)阻越大；而中間腔室厚度越小，陰極至陽(yáng)極的氧氣滲透量增加，這都導(dǎo)致無(wú)膜MFC性能的下降。
　　③提出并構(gòu)建了能夠同時(shí)處理有機(jī)廢氣和廢水的新型無(wú)膜微生物燃料電池，且實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5、了該MFC不僅可以有效降解揮發(fā)性有機(jī)廢氣，而且能夠產(chǎn)生電能。通過(guò)電池的啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了陽(yáng)極生物膜生長(zhǎng)對(duì)有機(jī)廢氣降解和產(chǎn)電的重要性。實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)電菌也可以生長(zhǎng)在憎水表面，甲苯廢氣可以支持產(chǎn)電菌的生長(zhǎng)。
　?、芸商幚碛袡C(jī)廢氣的無(wú)膜微生物燃料電池的性能實(shí)驗(yàn)表明，電池于100Ω電阻啟動(dòng)時(shí)其產(chǎn)電性能較差：其開(kāi)路電壓約為280mV，最大功率密度約為0.55mW/m2，最大電流密度約為12.5mA/m2，當(dāng)使用較大電阻5000Ω進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，電池開(kāi)