微生物燃料电池不锈钢网阴极制备及产电性能研究
能源危机和环境污染问题迫使人类急需寻找可持续、可再生的新型清洁能源。另一方面，传统好氧废水处理技术能耗大，不经济，催促人们寻找一种能够合理实现废水处理与资源化的替代技术。微生物燃料电池（MFC）可以借助于微生物实现废水处理，同时可将废水中的化学能转化为清洁的生物质电能，被认为是一种机遇与挑战并存的新型污水处理工艺。目前，MFC技术主要的瓶颈问题在于如何进一步降低造价以及如何使反应器扩大化，这决定了该技术在未来能否实现工业化。 针对上述瓶颈问题，本文以最为常见的立方体单室空气阴极MFC为研究对象，通过对比碳布（CC）和不锈钢网（SSM）阴极，系统的考察了两种不同反应器在产电性能、处理效率、微生物群落结构等方面的异同；另一方面，借助廉价、实用的SSM和防水透气膜（WBM），对MFC的阴极进行改进并考察其性能，提出了一种较传统方法更为合理的阴极制作方法。本文得到以下主要结果和结论。 将CC和SSM（80目）分别作为阴极基础材料，利用传统方法制作阴极得到两种不同的MFC。SSM-MFC可分别得到32.9和31.3W/m3的最大功率密度，略低于CC-MFC（分别为26.6和24.5W/m3），但两种MFC在处理效率和库伦效率上表现相似。454焦磷酸测序结果显示，在“门”和“纲”分类水平下，两种MFC的阴、阳极微生物群落结构较为相似。在“科”分类水平下，CC-MFC阳极的优势种群为Geobacteraceae（39.5％）和Comamonadaceae（26.0%），SSM-MFC同为Comamonadaceae（45.6%）和Geobacteraceae（20.4%）。这些可认定为疑似胞外产电细菌，虽然阴、阳极间种类相似，但比例不同，这很可能是导致两种MFC产电能力差异的主要因素之一；Comamonadaceae（57.7%）和Rhodocyclaceae（14.0%）是CC-MFC阴极的主要优势种群，而SSM-MFC阴极的主要优势种群是Xanthomonadaceae（49.8%），这种差异很可能来自于阴极基础材料的不同。阴极优势菌群中很可能共同生存着有利和有碍于MFC产电的微生物，它们共同影响着MFC的性能。 以CC为阴极基础、去除Carbon/PTFE层的方式制作阴极，会使功率输出小幅度下降约20%（空气扩散阻力增大、内阻增大等因素），但考虑该涂层制作繁琐，必要时可以去除该层。以SSM（40、60和80目）为基础、WBM为空气扩散层，将催化剂涂抹于SSM上制得SSM/M阴极，运行初期表现良好（40、60和80目SSM对应功率密度27.0、35.4和36.7 W/m3），但长期运行产电能力不断下降（40目下降至6.5 W/m3）。SSM/M-MFC功率输出随不钢网目数增大而增大，且大于60目后，可超越传统阴极制作方法得到的MFC（CC-MFC为30.0 W/m3，SSM-MFC为30.5 W/m3）。将催化剂涂抹于WBM上制得SSM/PtonM阴极，可得到24.7 W/m3的功率密度，且长期运行稳定。在SSM/PtonM基础上去除SSM可以得到PtonM阴极，其结构更为简单，同样具有长期运行稳定性，但产电能力极差（7.6 W/m3），同时阴极结构不够坚固，不易扩大化。综合考虑，SSM/PtonM阴极相对廉价（约16 USD/m2）、简单（节省材料、两步实现）、制作省时（耗时小于0.5h且阴极扩大化后耗时基本不增加），最为合理。因此，本文中提出一种基于SSM和WBM、更为可行、实用的MFC空气阴极制作方法。
废水处理;微生物燃料电池;不锈钢网;防水透气膜;产电性能
哈尔滨工业大学
硕士
环境科学与工程
邢德峰
2014
中文
X703.1
83
2015-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）