微生物燃料電池中多元生物質(zhì)產(chǎn)電特性與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、有機(jī)廢水處理是能源密集型綜合技術(shù)，高能耗是其主要問(wèn)題之一。在世界性能源危機(jī)的環(huán)境中，傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)不僅導(dǎo)致了較高的化石能源需求，而且有機(jī)物降解和能耗造成了大量的碳排放，引發(fā)了一系列新的環(huán)境問(wèn)題。微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是21世紀(jì)環(huán)境工程領(lǐng)域新興的廢水處理同步能源回收技術(shù)，能在胞外產(chǎn)電菌的作用下將有機(jī)廢物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，然而目前產(chǎn)電機(jī)理尚不清晰?？紤]到未來(lái)應(yīng)用，MFC成本過(guò)高以及產(chǎn)電過(guò)

2、程中的影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本論文圍繞多元生物質(zhì)在MFC中的轉(zhuǎn)化規(guī)律、新型電極材料的開(kāi)發(fā)和雙室MFC的低成本運(yùn)行規(guī)律，其目的是降低MFC技術(shù)的成本，將MFC技術(shù)推向市場(chǎng)化。
　　本文首次驗(yàn)證了啤酒廢水可以直接作為 MFC底物產(chǎn)電。在單室空氣陰極方形 MFC中，以啤酒廢水中的土著微生物為接種菌源，全濃度廢水為底物，獲得了最大功率密度為205mW·m-2（30℃）。溫度影響了陰極電位，20℃下功率密度降低至170 mW·m-2，但C

3、OD去除率和庫(kù)侖效率（CE）變化不大。加入50和200mmol·L-1 PBS后功率密度上升。隨廢水濃度的升高，CE降低而功率密度線(xiàn)性升高。秸稈汽爆洗液同樣也可以作為陽(yáng)極廉價(jià)底物產(chǎn)電，最大功率密度644mW·m-2。電導(dǎo)率的變化影響了陽(yáng)極電位，使功率密度先上升而后下降。而PBS濃度升高使陰極區(qū)表面pH緩沖能力增強(qiáng)，提高了陰極性能。在纖維素糖化菌群（H-C）和產(chǎn)電菌的協(xié)同作用下，首次在 MFC中實(shí)現(xiàn)了天然固體秸稈產(chǎn)電，獲得了331mW·m

4、-2的最大功率密度。將底物更換為汽爆秸稈后，最大功率密度升高至406mW·m-2。微生物群落演替分析表明，體系中可能的產(chǎn)電菌為Rhodopseudomonas palustris。
　　開(kāi)發(fā)出了基于低成本碳纖維布的陽(yáng)極材料和Nafion/PTFE新型陰極粘結(jié)劑材料，使 MFC的單位容積和單位功率成本降低70％以上。使用碳纖維布替代傳統(tǒng) E-TEK碳布后，陽(yáng)極成本降低了75%，功率輸出提高了7%。未經(jīng)預(yù)處理的碳纖維布產(chǎn)電性能較差。使

5、用馬弗爐對(duì)碳纖維布進(jìn)行熱處理后（450℃，30min）獲得了922mW·m-2的最大功率密度，比只經(jīng)過(guò)丙酮清洗的碳纖維布陽(yáng)極高3%，僅比高溫氨處理的碳布低7%。預(yù)處理提高 MFC性能的機(jī)理是：丙酮清洗和熱處理是通過(guò)去除電極表面影響電子傳遞的雜質(zhì)，提供了更大的電化學(xué)活性表面積，促進(jìn)了產(chǎn)電過(guò)程進(jìn)行。高溫氨處理后除清潔作用外，表面 N/C原子個(gè)數(shù)比與熱處理相比升高了近1倍（由2.9%升高至4.6%），說(shuō)明氨處理過(guò)程中生成的含氮官能團(tuán)（如胺基）

6、對(duì)產(chǎn)電過(guò)程有促進(jìn)作用。在此基礎(chǔ)上，使用重氮鹽向碳布表面連接不同含量的胺基，測(cè)試了胺基含量對(duì)產(chǎn)電性能的影響。在較低的胺基含量下，MFC的功率輸出并無(wú)顯著變化。當(dāng)官能團(tuán)比重上升至0.4%和0.9%后，MFC的功率密度有顯著提升，最大功率密度與氨處理電極相同，陽(yáng)極表面的微生物蛋白含量也與氨處理電極相近。然而過(guò)量的胺基連接量抑制了微生物的生長(zhǎng)，降低了功率輸出。開(kāi)發(fā)出了廉價(jià)空氣陰極 Nafion-PTFE催化劑粘結(jié)劑，降低了陰極成本。發(fā)現(xiàn) MFC

7、的最高功率輸出隨粘結(jié)劑中Nafion含量線(xiàn)性增加。經(jīng)過(guò)25個(gè)周期運(yùn)行后，Nafion為粘結(jié)劑的MFC獲得的CE為20-29%，而粘結(jié)劑中加入 PTFE略微降低 CE至17-26%，而所有MFC最高電壓輸出變化不大。
　　發(fā)現(xiàn)了陽(yáng)極恒定+200mV（Ag/AgCl）電位加速啟動(dòng)，降低了 MFC運(yùn)行成本。啟動(dòng)期內(nèi)恒電位系統(tǒng)較高的輸出電流是由于陽(yáng)極恒定正電位提高了底物氧化推動(dòng)力造成的。啟動(dòng)完成后，不同方法啟動(dòng)的MFC性能相同。進(jìn)一步的研

8、究表明，陽(yáng)極電位在-400mV至+200mV（Ag/AgCl參比）范圍內(nèi)，隨著陽(yáng)極電位升高最大輸出電流升高，而最高電流獲得的時(shí)間縮短。但當(dāng)陽(yáng)極電位進(jìn)一步升高至+400mV，峰電流卻降低至6.9mA。CE隨陽(yáng)極電位的升高而增大，低電位下（-400mV至0mV）的CE較低主要是由于氫氣甲烷的產(chǎn)生造成的。升高陽(yáng)極電位可以提高產(chǎn)電菌氧化底物的推動(dòng)力，從而在競(jìng)爭(zhēng)中有效抑制發(fā)酵氣體生成。在較高的陽(yáng)極電位下微生物生長(zhǎng)獲得的電量比例降低，生長(zhǎng)受到抑制。

9、
　　構(gòu)建了無(wú)曝氣雙室微生物碳捕獲電池（MCCs），通過(guò)在陰極溶液中培養(yǎng)小球藻（Chlorella vulgaris）原位捕獲陽(yáng)極產(chǎn)生的CO2，同時(shí)產(chǎn)生O2供給陰極作為電子受體，消除了雙室 MFC陰極高能耗高成本的曝氣過(guò)程，最大功率密度為5.6W·m-3。CV和DO測(cè)試結(jié)果表明 MCC陰極反應(yīng)的機(jī)理是藻類(lèi)光合產(chǎn)氧，然后氧氣被還原，周期內(nèi)陽(yáng)極室產(chǎn)生的所有氣態(tài) CO2均被捕獲。碳平衡計(jì)算表明MCC的碳捕獲率高達(dá)94±1%，為廢水的零碳