微生物燃料電池不銹鋼網(wǎng)陰極制備及產(chǎn)電性能研究.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題迫使人類急需尋找可持續(xù)、可再生的新型清潔能源。另一方面，傳統(tǒng)好氧廢水處理技術(shù)能耗大，不經(jīng)濟(jì)，催促人們尋找一種能夠合理實(shí)現(xiàn)廢水處理與資源化的替代技術(shù)。微生物燃料電池（MFC）可以借助于微生物實(shí)現(xiàn)廢水處理，同時(shí)可將廢水中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為清潔的生物質(zhì)電能，被認(rèn)為是一種機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的新型污水處理工藝。目前，MFC技術(shù)主要的瓶頸問(wèn)題在于如何進(jìn)一步降低造價(jià)以及如何使反應(yīng)器擴(kuò)大化，這決定了該技術(shù)在未來(lái)能否實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。
　　

2、針對(duì)上述瓶頸問(wèn)題，本文以最為常見(jiàn)的立方體單室空氣陰極MFC為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比碳布（CC）和不銹鋼網(wǎng)（SSM）陰極，系統(tǒng)的考察了兩種不同反應(yīng)器在產(chǎn)電性能、處理效率、微生物群落結(jié)構(gòu)等方面的異同；另一方面，借助廉價(jià)、實(shí)用的SSM和防水透氣膜（WBM），對(duì)MFC的陰極進(jìn)行改進(jìn)并考察其性能，提出了一種較傳統(tǒng)方法更為合理的陰極制作方法。本文得到以下主要結(jié)果和結(jié)論。
　　將CC和SSM（80目）分別作為陰極基礎(chǔ)材料，利用傳統(tǒng)方法制作陰極得到兩

3、種不同的MFC。SSM-MFC可分別得到32.9和31.3W/m3的最大功率密度，略低于CC-MFC（分別為26.6和24.5W/m3），但兩種MFC在處理效率和庫(kù)倫效率上表現(xiàn)相似。454焦磷酸測(cè)序結(jié)果顯示，在“門”和“綱”分類水平下，兩種MFC的陰、陽(yáng)極微生物群落結(jié)構(gòu)較為相似。在“科”分類水平下，CC-MFC陽(yáng)極的優(yōu)勢(shì)種群為Geobacteraceae（39.5％）和Comamonadaceae（26.0%），SSM-MFC同為Com

4、amonadaceae（45.6%）和Geobacteraceae（20.4%）。這些可認(rèn)定為疑似胞外產(chǎn)電細(xì)菌，雖然陰、陽(yáng)極間種類相似，但比例不同，這很可能是導(dǎo)致兩種MFC產(chǎn)電能力差異的主要因素之一；Comamonadaceae（57.7%）和Rhodocyclaceae（14.0%）是CC-MFC陰極的主要優(yōu)勢(shì)種群，而SSM-MFC陰極的主要優(yōu)勢(shì)種群是Xanthomonadaceae（49.8%），這種差異很可能來(lái)自于陰極基礎(chǔ)材料的不

5、同。陰極優(yōu)勢(shì)菌群中很可能共同生存著有利和有礙于MFC產(chǎn)電的微生物，它們共同影響著MFC的性能。
　　以CC為陰極基礎(chǔ)、去除Carbon/PTFE層的方式制作陰極，會(huì)使功率輸出小幅度下降約20%（空氣擴(kuò)散阻力增大、內(nèi)阻增大等因素），但考慮該涂層制作繁瑣，必要時(shí)可以去除該層。以SSM（40、60和80目）為基礎(chǔ)、WBM為空氣擴(kuò)散層，將催化劑涂抹于SSM上制得SSM/M陰極，運(yùn)行初期表現(xiàn)良好（40、60和80目SSM對(duì)應(yīng)功率密度27.0

6、、35.4和36.7 W/m3），但長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)電能力不斷下降（40目下降至6.5 W/m3）。SSM/M-MFC功率輸出隨不鋼網(wǎng)目數(shù)增大而增大，且大于60目后，可超越傳統(tǒng)陰極制作方法得到的MFC（CC-MFC為30.0 W/m3，SSM-MFC為30.5 W/m3）。將催化劑涂抹于WBM上制得SSM/PtonM陰極，可得到24.7 W/m3的功率密度，且長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定。在SSM/PtonM基礎(chǔ)上去除SSM可以得到PtonM陰極，其結(jié)構(gòu)更為