陰極表面修飾和電壓調(diào)控改善MEC 陰極生物膜生長和產(chǎn)甲烷性能的研究.pdf

1、隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，成為影響人類可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。微生物電解池（Microbial electrolysis cell,MEC）可以將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為易于儲存和利用的甲烷，在降低CO2排放的同時，緩解緊張的能源需求。為了提高 MEC的產(chǎn)甲烷性能，本文從外電壓和陰極表面性質(zhì)兩個方面入手，研究其對陰極生物膜及產(chǎn)甲烷特性的影響。
　　本文通過單電壓運行及轉(zhuǎn)換電壓運行兩種方式研究外電壓對MEC產(chǎn)甲烷性能及生物膜馴

2、化的影響。在外電壓恒定不變的運行條件下，相對于0.5V和0.9V，0.7V為本體系最佳產(chǎn)甲烷電壓，最大電流密度為45.7A/m3，產(chǎn)甲烷速率為0.349m3/m3·d，能量回收率為82.0％，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。此時陰極上生物膜厚實，且生物種類以長桿菌為主。以轉(zhuǎn)換電壓方式運行MEC時，通過0.5V和0.9V之間的電壓多次轉(zhuǎn)換后，庫侖效率（CE）增加，在0.9V外電壓下，產(chǎn)氣中甲烷含量從44.1%增加到93.0%，產(chǎn)甲烷速率從0.25m3/

3、m3·d增加到0.41m3/m3·d，增加幅度為64%，產(chǎn)氣中氫氣含量從50.4%減少到0.20%，表明電壓轉(zhuǎn)換法可以提高0.9V時的產(chǎn)甲烷含量。通過SEM觀察生物膜，發(fā)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換后高低壓下適宜生存的產(chǎn)甲烷菌都豐富，生物形態(tài)多樣性增加。
　　本文隨后考察了不同電壓運行方式馴化的生物膜特性，包括對高電壓的耐受能力和直接CO2產(chǎn)CH4的能力。當(dāng)外加電壓增加到1.2V時，在0.7V電壓下運行的陰極生物膜適應(yīng)性更好，產(chǎn)甲烷速率可達(dá)1.32

4、m3/m3·d，同時具有最大的總甲烷回收率和總能量回收率。當(dāng)以二氧化碳為陰極產(chǎn)甲烷唯一碳源時，發(fā)現(xiàn)低電壓（0.5V）下運行過的MEC能產(chǎn)生更大的產(chǎn)甲烷速率（0.054m3/m3·d），是相應(yīng)0.9V MEC的6倍。表明適宜在低電壓下培養(yǎng)直接二氧化碳產(chǎn)甲烷菌，而高電壓下是以氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌為主導(dǎo)的產(chǎn)甲烷。
　　本文還研究了高聚物和碳粉修飾對生物陰極性能的影響。在通過少量高聚物聚偏氟乙烯（PVDF）改性后，因PVDF不導(dǎo)電，運行電流略

5、有降低，產(chǎn)甲烷速率亦有所降低，說明PVDF對陰極產(chǎn)甲烷不利，但陰極表面生物的附著情況差異不大。在使用具有導(dǎo)電性的碳粉修飾時發(fā)現(xiàn)，活性炭修飾可提高 MEC的化學(xué)需氧量（COD）去除率和庫侖效率，改善運行性能，且甲烷產(chǎn)量增加了42.9%，總能量回收率提高了35%。通過電化學(xué)分析，推測電極電容及與電容相關(guān)的活性表面積可能是影響MEC的電化學(xué)性能和產(chǎn)甲烷性能的主要原因。為探究電容的影響，在碳布上負(fù)載等量不同結(jié)構(gòu)的碳粉如多壁碳納米管（MWCNT）

6、和單壁碳納米角（SWCNH），獲得不同電容陰極，比較兩組陰極性能，發(fā)現(xiàn)SWCNH組在COD去除率、庫侖效率和產(chǎn)甲烷量上優(yōu)于MWCNT組，總能量回收率高60%。表明此時影響 MEC性能主要因素是陰極表面結(jié)構(gòu)而并非電容，SWCHN具有較好的生物相容性，產(chǎn)甲烷菌易于在其表面生長，而MWCNT表面不利于附著產(chǎn)甲烷菌。
　　此外，將PVDF應(yīng)用于微生物燃料電池（Microbial fuel cell, MFC）的空氣陰極時，發(fā)現(xiàn)PVDF表面