微生物燃料電池陰極的功能拓展及機理分析.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是燃料電池中特殊的一類，它利用微生物作為反應主體，將燃料的化學能轉(zhuǎn)換為電能。MFC的優(yōu)勢在于其處理環(huán)境廢棄物的同時并對其中蘊涵的能源予以回收，從而起到凈化環(huán)境和生產(chǎn)清潔能源的雙重效果。單從產(chǎn)電的角度來看，短時期內(nèi)MFC無法超越傳統(tǒng)的燃料電池的電能輸出性能。因此研究者的目光不在僅僅局限于提高電池的產(chǎn)電性能，而如何進一步拓寬MFC處理廢棄物的領域，尤其是如何有效利用陰極以提高M

2、FC的整體功能性，從而使MFC的應用范圍得到了進一步地拓展。
　　因此，本文以MFC技術(shù)為核心，結(jié)合電化學、微生物學和水文地質(zhì)學的多種研究方法，以目前常用的兩種典型MFC反應系統(tǒng)作為研究對象，構(gòu)建了單室和雙室2種類型的矩形反應槽，將MFC的陰極還原能力分別應用于廢舊鋰電池正極材料LiCoO2的還原浸取和對受硝酸鹽污染地下水的原位修復，以提高目標污染物的還原效果和MFC的產(chǎn)電性能為目標，對影響MFC的陰極性能因素展開了研究，得出了以

3、下結(jié)論:
　　(1)構(gòu)建了以弱酸中LiCoO2作為化學陰極電子受體的矩形式雙室MFC，探討了MFC陰極浸取還原LiCoO2的可行性，并探討了MFC陰極浸取還原LiCoO2過程中陰極液pH、陰極液的離子強度、固液比、催化劑CuCl2等因素對MFC的產(chǎn)電性能與LiCoO2浸取效果的影響。實驗結(jié)果表明:MFC化學陰極還原LiCoO2使得固相中Co(Ⅲ)被浸取還原為液相中Co(Ⅱ)是可行的，且MFC的浸取效果優(yōu)于單純?nèi)跛峤?，同時監(jiān)測到M

4、FC能夠持續(xù)地輸出電壓。陰極液pH值對MFC浸取LiCoO2的過程影響顯著，pH越低，MFC的產(chǎn)電性能和LiCoO2的浸取效果越明顯;隨著陰極液中KCl和催化劑CuCl2添加濃度的增加，MFC輸出電壓和浸取效率也越高，這是由于陰極液的離子強度增大，活化能減少的緣故;固液比S/L的增加，電池輸出電壓和LiCoO2浸取效率也增大，但是增加的幅度與固液比的增加幅度不成正比;最后對影響MFC陰極輸出電壓和Co(Ⅱ)浸取效果的因素分析討論得出陰極

5、液pH值是LiCoO2還原過程中重要影響因素。因此在后續(xù)的實驗設計中要重點考慮pH對MFC電位和浸取效果的影響。
　　(2)構(gòu)建了矩形式單槽生物陰極MFC，模擬受硝酸鹽污染地下水的流動條件，對MFC進行補水、排水及淋浴實驗，得到實驗所需的水力學特征系數(shù)，即砂槽含水層的孔隙度0.222，持水度0.148以及滲透系數(shù)5.13m/d，說明建立的矩形式單槽MFC內(nèi)水流符合地下水流動的特點。
　　(3)啟動了矩形式單槽生物陰極MFC，

6、經(jīng)過4周期的循環(huán)，電池的輸出最大電壓穩(wěn)定在500mV左右，整個啟動時間大約需要300h。對MFC啟動成功后運行一段時間的陰極、陽極與空白電極做掃描電鏡分析，陰極和陽極附著的微生物形態(tài)不一樣，陰極碳布的纖維絲表面覆蓋了一層多孔狀結(jié)構(gòu)，細菌多附著在孔狀結(jié)構(gòu)上，陽極碳布的表面生長了大量的長鏈狀微生物。然而對混菌系統(tǒng)的SEM觀察，僅可作為一種輔助手段驗證宏觀的實驗結(jié)果。
　　(4)在矩形式單槽生物陰極MFC穩(wěn)定運行下，研究了影響MFC促進

7、硝酸鹽還原的關鍵影響參數(shù)C/N、無機碳源NaHCO3以及水力停留時間HRT對MFC的產(chǎn)電性能和硝酸鹽降解效果的影響。實驗結(jié)果表明:C/N和無機碳源NaHCO3的增加使得MFC的輸出電壓增加，降解率也增加，亞硝酸鹽和氨氮積累效果，有助于MFC電壓的輸出;兩種水力停留時間HRT2.0d和1.0d下，MFC的輸出電壓和硝酸鹽的降解不同，HRT小反而有利于電壓輸出和硝酸鹽的降解。
　　(5)研究了MFC反應槽的水力梯度對MFC產(chǎn)電效果和硝

8、酸鹽降解效果的影響。實驗結(jié)果表明，水力梯度增大，MFC的最大輸出電壓增大，反應槽的出口水樣中NO3--N濃度減小，NO3--N濃度也呈現(xiàn)出上層濃度大，下層濃度小，且按照水流的水平方向，前端濃度大，后端濃度小的時空分布。這說明水力梯度的改變影響了MFC產(chǎn)電性能和硝酸鹽的降解效果。這種模擬結(jié)果更能表達水力梯度變化時，地下水中硝酸鹽的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。
　　(6)采用循環(huán)伏安曲線法掃描分析了陰極、陽極生物膜的電化學行為。結(jié)果表明，掛膜的陽