基于剩余污泥的多功能碳基電極材料制備與應(yīng)用.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells，MFCs)能夠在處理污水的同時(shí)，將有機(jī)物中蘊(yùn)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種新型的低能耗的水處理技術(shù)，成為近年來環(huán)境領(lǐng)域和能源回收領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前電極材料成本過高和產(chǎn)電性能偏低是制約MFC實(shí)際應(yīng)用的主要因素。陽極是影響細(xì)菌生長(zhǎng)、電子傳遞以及底物供應(yīng)的關(guān)鍵因素，因此，亟需開發(fā)一種高性能、低成本的陽極材料。空氣陰極是MFC主要采用的陰極形式，但氧氣還原(ORR)催化劑的性能和價(jià)格成為

2、空氣陰極應(yīng)用的限制因素之一。本文以剩余污泥為碳材料前驅(qū)體材料，采用簡(jiǎn)單易行的方法制備了低成本、高性能的污泥基電極和污泥基復(fù)合空氣陰極，在降低電極成本的同時(shí)使MFC的功率輸出達(dá)到較高水平，為推動(dòng)MFC在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　(1)以剩余污泥作為電極材料唯一前驅(qū)體材料，采用在氮?dú)獗Ｗo(hù)下直接碳化的方法制備了污泥基電極，考察了碳化溫度對(duì)電極產(chǎn)電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳化溫度增加有利于提升電極的產(chǎn)電性能，當(dāng)碳化溫度在1200

3、℃時(shí)，污泥基電極的石墨化程度最高，電極表面積最大，電極中碳含量比例和電極導(dǎo)電率最高。以1200℃碳化的污泥基陽極電極(SSC1200)運(yùn)行的MFC最大輸出功率為2920mW m-2，分別是SSC600電極、SSC800電極和SSC1000電極的輸出功率密度的2.5倍、1.3倍和1.2倍，是商業(yè)化石墨電極的輸出功率密度的5倍。因此，最優(yōu)的污泥基電極碳化溫度為1200℃。
　　(2)基于上述最優(yōu)污泥基碳化條件下，將工業(yè)廢棄物飛灰為粘合

4、劑按照20％，40％，60％和80％的比例摻入污泥基電極中強(qiáng)化電極性能，研究了其在MFC的性能，并對(duì)制備的電極做了系列材料學(xué)表征。掃描電鏡結(jié)果顯示，與未摻入飛灰的污泥電極相比，摻有飛灰的污泥電極表面有洋蔥碳生成，有利于電子傳遞，從而提升電極產(chǎn)電性能。污泥電極中摻入飛灰能顯著提高電極的親水性，有利于產(chǎn)電微生物的附著生長(zhǎng)。此外，污泥電極中摻入飛灰后機(jī)械強(qiáng)度提高了約19倍。電極產(chǎn)電性能測(cè)試結(jié)果顯示，以飛灰摻入比為20％的污泥碳基電極構(gòu)建的MF

5、C，獲得的最大的輸出功率密度達(dá)3210mW m-2，相比于純污泥碳基電極提高了21％。在污泥電極中摻入飛灰，有助于提高污泥電極的產(chǎn)電性能，作為MFC陽極電極具有巨大的應(yīng)用潛力。
　　(3)以剩余污泥為碳前驅(qū)體，通過水熱共摻雜Mn、N法成功制備了一種新型的污泥碳基空氣陰極，構(gòu)建MFC，研究其產(chǎn)電性能。EDS和XPS表征結(jié)果顯示，Mn和N原子成功的均勻摻雜入碳骨架中。線性伏安掃描結(jié)果表明Mn、N共摻雜的協(xié)同效應(yīng)更進(jìn)一步提高了空氣陰極的