生物炭介導對PE-MFC電化學與產(chǎn)甲烷特性的影響.pdf

1、有機廢棄物資源如果不處理或處理不好，將成為污染之源，加重環(huán)境問題;如果將其應用到厭氧消化領域，則能變廢為寶，成為綠色能源的材料之源，能有效緩解目前日益突出的世界環(huán)境污染和能源匱乏問題，造福人類。然而并不是所有的有機廢棄物資源都能被自然界中的微生物降解，如木質(zhì)纖維素材料則難以被微生物降解轉(zhuǎn)化。而生物質(zhì)熱解轉(zhuǎn)化技術的出現(xiàn)，為解決這部分難降解有機廢棄物帶來了曙光。大部分有機廢棄物資源，特別是在自然界中難以被微生物利用的那部分有機廢棄物資源，都

2、可通過簡單的高溫熱解而制成生物炭，被應用到環(huán)保、能源等領域。作為活性炭的前驅(qū)體，生物炭與活性炭有很多相似之處，而活性炭在環(huán)保、能源等領域的優(yōu)良性能，在由來已久的國內(nèi)外研究中已被證實，因此研究生物炭在能源領域的應用將極具經(jīng)濟和環(huán)保意義。
　　針對以上問題，本課題將三維電極光催化技術引入到微生物燃料電池技術中，組成新穎的光電微生物燃料電池（Photoelectric microbial fuel cells，PE-MFC），并以生物炭

3、顆粒作為其三維電極粒子及生物膜載體，研究以生物炭介導的光電微生物燃料電池及其機理，為實現(xiàn)微生物燃料電池同步產(chǎn)電與產(chǎn)沼氣，并提高傳統(tǒng)沼氣技術的生產(chǎn)效率與沼氣品質(zhì)，同時為充分利用有機廢棄物資源，特別是利用難降解有機廢棄物資源化利用提供參考。
　　論文主要研究內(nèi)容和結果包括以下方面:
　　(1)生物炭改性實驗及其表征。本課題采用的是顆粒狀生物炭(GBC)，分別對其進行表面活性劑陽離子、陰離子改性及甲烷抑制改性，并采用傅里葉紅外光譜

4、分析(FTIR)技術、X射線衍射分析(XRD)技術、比表面積檢測(BET)技術等對改性前后生物炭的理化性質(zhì)進行表征。研究表明，試驗選用的果木生物炭GBC在晶體結構上是具有亂層結構的無序石墨微晶體結構;經(jīng)表面陽離子活性劑改性及甲烷抑制改性后的GBC，結晶效果得到增強，晶粒得到細化;而經(jīng)陰離子改性后的GBC，晶體結構有序性減弱，晶格膨脹造成缺陷，也增加了活性位點。經(jīng)傅里葉紅外光譜分析知，GBC表面具有豐富的化學官能團，如羧基、羥基、甲基、亞

5、甲基和氨基等具備較好的親生物性。生物炭改性前比表面積為15.87m2，改性后GBC比表面積均減小，在2.34～4.09m2.g-1間。且GBC在污泥環(huán)境中時，對污泥具有吸附作用，GBC吸附性能大小順序為GBC＞SBES-GBC＞SDS-GBC＞PEI-GBC;在污泥濃度達到92g.L-1（接近本文后續(xù)研究中PE-MFC啟動時的污泥濃度）時，改性前后GBC對污泥的吸附容量均接近達到飽和。
　　(2)生物炭介導對PE-MFC電化學特性

6、的影響。通過將經(jīng)陽離子、陰離子改性的生物炭顆粒及未經(jīng)改性的生物炭顆粒投入到自行設計的PE-MFC中，研究生物炭在其中作為三維電極填充粒子時所起的對PE-MFC的電化學介導作用及其影響。研究表明，生物炭在PE-MFC中的電化學介導作用主要體現(xiàn)在其在PE-MFC中起到了三維電極的作用，增加了PE-MFC的光催化電場，提高光催化效率，進而促進PE-MFC的電子傳遞;微生物在生物炭表面形成的生物膜，對生物炭在PE-MFC中的電化學介導作用的影響

7、并不十分明顯;此外，經(jīng)陰離子改性后的生物炭由于表面電活性的增強使其在PE-MFC中的介導作用比其他性質(zhì)的生物炭更為顯著。
　　(3)生物炭介導對PE-MFC產(chǎn)甲烷特性的影響。通過將經(jīng)甲烷抑制改性、陽離子改性、陰離子改性及未經(jīng)改性的生物炭顆粒投入到自行設計的PE-MFC中，研究生物炭在其中作為生物膜載體時所起的對PE-MFC的微生物介導作用及其特性。研究表明生物炭在PE-MFC中起到了生物膜載體的介導作用，通過固定化微生物、吸附有機