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、有機廢水處理是能源密集型綜合技術(shù)，高能耗是其主要問題之一。在世界性能源危機的環(huán)境中，傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)不僅導致了較高的化石能源需求，而且有機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)境問題。微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是21世紀環(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廢物中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，然而目前產(chǎn)電機理尚不清晰?？紤]到未來應(yīng)用，MFC成本過高以及產(chǎn)電過

2、程中的影響機制有待進一步研究。本論文圍繞多元生物質(zhì)在MFC中的轉(zhuǎn)化規(guī)律、新型電極材料的開發(fā)和雙室MFC的低成本運行規(guī)律，其目的是降低MFC技術(shù)的成本，將MFC技術(shù)推向市場化。
　　本文首次驗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降低而功率密度線性升高。秸稈汽爆洗液同樣也可以作為陽極廉價底物產(chǎn)電，最大功率密度644mW·m-2。電導率的變化影響了陽極電位，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，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。
　　開發(fā)出了基于低成本碳纖維布的陽極材料和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、用馬弗爐對碳纖維布進行熱處理后（450℃，30min）獲得了922mW·m-2的最大功率密度，比只經(jīng)過丙酮清洗的碳纖維布陽極高3%，僅比高溫氨處理的碳布低7%。預(yù)處理提高 MFC性能的機理是：丙酮清洗和熱處理是通過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活性表面積，促進了產(chǎn)電過程進行。高溫氨處理后除清潔作用外，表面 N/C原子個數(shù)比與熱處理相比升高了近1倍（由2.9%升高至4.6%），說明氨處理過程中生成的含氮官能團（如胺基）

6、對產(chǎn)電過程有促進作用。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，測試了胺基含量對產(chǎn)電性能的影響。在較低的胺基含量下，MFC的功率輸出并無顯著變化。當官能團比重上升至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，陽極表面的微生物蛋白含量也與氨處理電極相近。然而過量的胺基連接量抑制了微生物的生長，降低了功率輸出。開發(fā)出了廉價空氣陰極 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含量線性增加。經(jīng)過25個周期運行后，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)了陽極恒定+200mV（Ag/AgCl）電位加速啟動，降低了 MFC運行成本。啟動期內(nèi)恒電位系統(tǒng)較高的輸出電流是由于陽極恒定正電位提高了底物氧化推動力造成的。啟動完成后，不同方法啟動的MFC性能相同。進一步的研

8、究表明，陽極電位在-400mV至+200mV（Ag/AgCl參比）范圍內(nèi)，隨著陽極電位升高最大輸出電流升高，而最高電流獲得的時間縮短。但當陽極電位進一步升高至+400mV，峰電流卻降低至6.9mA。CE隨陽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。升高陽極電位可以提高產(chǎn)電菌氧化底物的推動力，從而在競爭中有效抑制發(fā)酵氣體生成。在較高的陽極電位下微生物生長獲得的電量比例降低，生長受到抑制。

9、
　　構(gòu)建了無曝氣雙室微生物碳捕獲電池（MCCs），通過在陰極溶液中培養(yǎng)小球藻（Chlorella vulgaris）原位捕獲陽極產(chǎn)生的CO2，同時產(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程，最大功率密度為5.6W·m-3。CV和DO測試結(jié)果表明 MCC陰極反應(yīng)的機理是藻類光合產(chǎn)氧，然后氧氣被還原，周期內(nèi)陽極室產(chǎn)生的所有氣態(tài) CO2均被捕獲。碳平衡計算表明MCC的碳捕獲率高達94±1%，為廢水的零碳