陽極結構對微生物燃料電池性能影響及陽極傳質特性研究.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell,MFC)是以微生物作為催化劑,將廢水中蘊含的化學能轉化為電能的新型生物能源利用技術。MFC不僅原料來源廣泛,反應條件溫和,且具有不污染環(huán)境等特點,具有廣闊的應用前景。然而MFC輸出功率較低,成為制約其發(fā)展的瓶頸。陽極是細菌附著、底物氧化和電子傳遞的場所,因而是決定電池產電的關鍵因素之一。探索和研究改善陽極性能、提高微生物燃料電池性能的方法和手段,分析相關科學機制等研究工作具有重要的

2、學術意義和工程應用價值。
　　本文以微生物燃料電池技術為背景,針對陽極材料及結構、電池構型等關鍵問題,研究了不同陽極材料、結構尺寸以及組合陽極形式等對陽極微生物附著、電化學特性及電池啟動和運行性能的影響;通過高溫熱處理及超聲處理等手段考察了陽極電極材料的循環(huán)再利用性能;考慮雙室MFC的傳質特性,優(yōu)化了電池構型,并研究了電池尺寸及陽極材料對雙筒型MFC性能的影響;此外,針對無電子介體MFC,構建了不同構型電池內底物在生物膜內傳輸降解

3、模型及陽極室內傳輸模型,預測了不同條件下陽極室內的底物濃度分布、底物降解效率以及電池的電流密度。得到的主要研究成果如下:
　　(1)對比研究了碳布和碳刷作為矩形MFC陽極材料時電池性能的差異,同時提出了制作結構化碳刷的方法,并采用該方法制作了不同質量/長度比(M/L)的碳刷電極,研究了碳刷陽極的M/L對矩形MFC性能的影響。結果表明,碳刷陽極的電池功率密度是碳布陽極的1.6倍;碳刷陽極的M/L對于碳纖維上細菌分布、附著的活性生物量

4、及生物膜的電化學活性等有著重要的影響。隨著M/L的降低,單位碳纖維質量活性生物量和功率密度隨之增大。但當M/L<0.024gmm-1時,單位碳纖維質量活性生物量和功率密度保持不變,這是由于碳刷上碳纖維的表面利用率達到飽和的緣故;
　　(2)構建了碳顆粒、碳刷、碳顆粒-不銹鋼網(wǎng)及碳顆粒-碳刷復合陽極電極,考察了陽極結構形式對矩形MFC中微生物附著、電化學特性及電池啟動和運行性能的影響。結果表明:由于內部布置的擴展碳刷有效地改善了碳顆

5、粒的內部連接,因此碳顆粒-碳刷復合電極的陽極阻抗最低、附著的生物量最多,其電池功率密度最高,達到47.7±0.5Wm-3,相比與碳顆粒-不銹鋼網(wǎng),碳刷和碳顆粒電極,分別提高了57％,26%和135%;
　　(3)針對MFC中已用碳刷電極的再利用問題,對已用過碳刷電極分別進行了高溫處理及高溫和超聲兩步處理,考察了不同處理方法對采用處理電極的矩形MFC電池性能的影響。結果表明:高溫處理是實現(xiàn)碳刷電極重復利用的有效方法。相比采用舊電極的

6、電池,高溫處理后的碳刷陽極其電池啟動加快、啟動完成后的電池電壓提高,陽極阻抗更小,陽極上附著的生物量增多,因此電池功率密度從已用過碳刷電極的30.0±0.6Wm-3增加為處理后的42.2±0.6Wm-3,并達到新碳刷陽極MFC的85%;
　　(4)對比研究了矩形和雙筒型MFC在啟動過程、陽極上附著的生物量、生物膜的電化學活性、電池阻抗以及電池性能等方面的差異;同時考察了三種不同陽極材料下大尺寸雙筒型MFC性能的影響。結果表明:雙筒

7、型MFC電池的性能較高;采用碳顆粒-碳刷復合陽極的大尺寸雙筒型MFC的最大功率密度為66.9±1.6Wm-3,分別為采用碳刷和碳顆粒陽極的1.2和3.0倍。這可歸結于該型式電極上附著的生物量最多和電池阻抗最低的緣故;不同外電阻下,采用碳顆粒-碳刷陽極的大尺寸雙筒型MFC的功率密度與進口乙酸鈉底物的濃度呈Monod關系,并在乙酸鈉濃度為500mgCODL-1時達到飽和。
　　(5)分別針對碳布陽極矩形MFC的陽極室和碳刷陽極雙筒型M

8、FC的陽極室,建立了底物在生物膜內降解傳輸模型和陽極室內傳輸模型。計算結果表明:陽極電勢越高,生物膜內生化與電化學反應速率越大,生物膜內底物濃度越低,底物降解效率越高,產生的電流密度越大。進口底物流量越大,底物在陽極室內水力停留時間越短,底物降解效率越低;單位時間內底物傳質通量越大,底物消耗速率隨之增大,因此產生的電流密度隨之增大;而進一步增加進口底物流量,底物消耗速率增大的趨勢變緩,產生的電流密度也趨于平穩(wěn)。此外,針對碳刷陽極的模型,