微生物燃料电池电极材料的优化研究
发布时间：2017-08-05 14:40
本文关键词：微生物燃料电池电极材料的优化研究
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【摘要】：微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是一种清洁能源技术,能在处理废水的同时产生电能,进而节约污水处理成本,提高能源利用效率,具有良好的发展前景。但目前该技术仍然没有在实际中得到应用,这主要是由于其产电性能偏低,电极成本过高导致的。本文选择双室MFC作为实验反应器,分别通过阴阳极碳基材料的筛选和纳米颗粒的修饰,来改善MFC的产电性能。首先通过阳极碳基材料的筛选,选择产电性能较好的碳刷作为阳极碳基材料,并分别使用CNTs、纳米LiMn2O4、纳米Fe304颗粒对碳刷进行修饰,然后作为MFC的阳极研究其产电效果。结果表明,三种纳米颗粒对阳极的修饰分别使MFC稳定后的电压提高了7.9%、21.8%、27.8%,功率密度提高了1.9%、27.5%、37.2%,内阻降低了15.6%、18.4%、24.7%,库伦效率提高了8%、21.8%、27.8%,且纳米颗粒的修饰还能加速MFC的启动。从实验结果看出,使用纳米Fe304颗粒对阳极进行修饰,能够有效提高MFC的产电性能。使用纳米Fe304颗粒修饰的碳刷作为MFC的阳极,并进一步进行阴极材料的优化研究。通过对阴极碳基材料的筛选,选择产电性能相对较好的碳毡作为阴极碳基材料,并分别使用CNTs、纳米LiMn2O4、纳米Fe304颗粒对碳毡进行修饰,然后作为MFC的阴极研究其产电效果。结果表明,三种纳米颗粒对阴极的修饰分别使MFC稳定后的电压提高了3.5%、4.9%、15.2%,最大功率密度提高了6.5%、6.6%、30.8%,库伦效率提高了3.3%、3.9%、13.2%,内阻降低了3.5%、7.4%、32.6%。通过对阳极材料和阴极材料的筛选和优化,最后使用纳米Fe304修饰的碳刷作为阳极和纳米Fe304修饰的碳毡作为阴极的MFC取得了较好的产电效果,其稳定后的输出电压达到了326mV,最大功率密度可达302.3mW/m2,库伦效率提高到了8.66%,电池内阻降低到了489.2fΩ。这表明了阴阳极的修饰对MFC的性能有了较大幅度的提升。实验进一步通过MiSeq高通量测序技术,对阴阳极室和其接种污泥的群落结构进行了研究。结果表明,阳极室污泥中与产电相关的微生物的种类和丰度均高于其他泥样,两个阳极室的微生物群落结构较为相似,但经过纳米Fe304修饰的碳刷阳极表面与产电相关微生物的丰度高于未经修饰的阳极。这表明纳米颗粒的修饰有助于产电微生物在电极材料表面富集,这也是修饰后的阳极材料能够提高MFC产电性能的主要原因。
【关键词】：微生物燃料电池 电极材料 纳米颗粒 产电性能 微生物群落结构
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM911.45;X703
【目录】：
- 学位论文数据集3-4
- 摘要4-6
- ABSTRACT6-16
- 第一章 绪论16-30
- 1.1 研究背景及意义16-17
- 1.2 微生物燃料电池概述17-20
- 1.2.1 微生物燃料电池基本原理和分类17-18
- 1.2.2 微生物燃料电池研究进展18
- 1.2.3 微生物燃料电池的应用18-20
- 1.3 MFC电极材料研究进展20-26
- 1.3.1 阳极材料20-21
- 1.3.2 阳极材料修饰21-25
- 1.3.3 生物阴极和材料研究25-26
- 1.4 课题研究的目的和主要内容26-30
- 1.4.1 研究目的26
- 1.4.2 主要研究内容26-27
- 1.4.3 技术路线27-30
- 第二章 实验材料和方法30-38
- 2.1 反应器设计30-31
- 2.2 实验方案31
- 2.3 实验材料31-33
- 2.3.1 接种污泥31-32
- 2.3.2 培养液32
- 2.3.3 电极材料及预处理32-33
- 2.4 MFC的启动与运行33-35
- 2.5 材料分析和测试分析计算35-38
- 2.5.1 电压采集35
- 2.5.2 库伦效率计算方法35-36
- 2.5.3 极化曲线和功率密度曲线的测定36-37
- 2.5.4 扫描电镜(SEM)表征37
- 2.5.5 水质指标的测定37-38
- 第三章 阳极材料对MFC性能影响38-52
- 3.1 碳基材料阳极的优选38-43
- 3.1.1 MFC的启动及电压变化38-40
- 3.1.2 稳定阶段产电性能40-41
- 3.1.3 库伦效率和COD去除率41-42
- 3.1.4 阳极微生物生长情况42-43
- 3.2 修饰阳极对MFC产电性能的影响43-49
- 3.2.1 纳米材料简介43
- 3.2.2 电极材料修饰43-45
- 3.2.3 MFC的启动及电压变化45-46
- 3.2.4 稳定阶段产电性能46-47
- 3.2.5 库伦效率和COD去除率47-48
- 3.2.6 微生物扫描电镜48-49
- 3.3 小结49-52
- 第四章 阴极材料对MFC性能影响52-62
- 4.1 碳基材料阴极的优选52-55
- 4.1.1 MFC的启动及电压变化52-54
- 4.1.2 稳定阶段产电性能54
- 4.1.3 库伦效率和COD去除率54-55
- 4.2 修饰阴极对MFC性能影响55-60
- 4.2.1 电极材料修饰及表征56-57
- 4.2.2 MFC的启动及电压变化57-58
- 4.2.3 稳定阶段产电性能58-59
- 4.2.4 库伦效率和COD去除率59-60
- 4.3 小结60-62
- 第五章 微生物群落结构分析62-76
- 5.1 实验方法62-63
- 5.2 DNA浓度及测序系列统计63-64
- 5.2.1 样品DNA提取液的纯度和浓度63
- 5.2.2 样品测序序列统计63-64
- 5.3 样品中细菌群落多样性分析64-66
- 5.4 样品中细菌群落组成分析66-71
- 5.4.1 细菌门类丰度的变化66-67
- 5.4.2 主要门类中纲的丰度变化67-68
- 5.4.3 样品中主要属的丰度68-71
- 5.5 与产电相关的微生物群落分析71-72
- 5.6 群落结构相似性分析72-73
- 5.7 小结73-76
- 第六章 结论76-78
- 参考文献78-82
- 致谢82-84
- 研究成果及发表的学术论文84-86
- 导师及作者简介86-88
- 附件88-89
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 赵庆良;张金娜;尤世界;姜s，
本文编号：625437
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/625437.html