玉米秸稈在電化學(xué)輔助微生物厭氧系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化和產(chǎn)電特性研究

【摘要】：電化學(xué)輔助的微生物厭氧體系(EMAS)能夠以秸稈為生物質(zhì)源材料,獲取多種形式的產(chǎn)物(如H_2、CH_4等),并且具有效率高、成本低、能量轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)點(diǎn)。構(gòu)建與馴化高效的以秸稈為底物的微生物燃料電池體系(MFC)是構(gòu)建EMAS實(shí)現(xiàn)秸稈綜合利用的必要步驟和關(guān)鍵技術(shù)之一。 將秸稈粉碎后直接投加到微生物燃料電池體系中,利用兩種不同構(gòu)型的反應(yīng)器,即碳刷陽極空氣陰極瓶型反應(yīng)器與碳刷陽極空氣陰極立方體反應(yīng)器,構(gòu)建秸稈作為“燃料”的微生物燃料電池體系。實(shí)驗(yàn)中所用微生物燃料電池系統(tǒng)均使用50mM磷酸鹽緩沖體系,以纖維素糖化菌群H C作為主要秸稈降解菌群,原位利用秸稈產(chǎn)電。以1g/L葡萄糖為底物時(shí),瓶型反應(yīng)器最大輸出功率為651±10mW/m~2,投加H C菌群與玉米秸稈粉末后,最大輸出功率為599±15 mW/m~2,穩(wěn)定周期的秸稈平均降解率為31%;立方型反應(yīng)器最大輸出功率為769±3mW/m~2,投加H C菌群與玉米秸稈粉末后受傳質(zhì)影響,反應(yīng)器的電壓波動(dòng)較大,最大輸出功率降低至444±36mW/m~2。立方體秸稈平均降解率為17%。結(jié)果顯示,在可溶性底物條件下,立方體性能較好,但由于傳質(zhì)影響,在利用秸稈固體方面,瓶型反應(yīng)器優(yōu)于立方型反應(yīng)器。 利用纖維素糖化菌群H C,微生物燃料電池系統(tǒng)外降解秸稈,過濾收集0~14日秸稈降解液,構(gòu)建秸稈降解液作為“燃料”的微生物燃料電池體系。在14天的降解過程中,降解液COD呈波動(dòng)上升狀態(tài),在第12天COD峰值達(dá)到2022mg/L。整個(gè)降解期間出現(xiàn)了三個(gè)明顯的降解速率較高的時(shí)間段,分別出現(xiàn)在第3、7和12天附近。將秸稈降解液作為底物接入到微生物燃料電池體系中,秸稈降解液的最大功率輸出與葡萄糖為底物時(shí)相比略低,但12、13兩天采集的秸稈降解液作為底物時(shí)的最大功率密度( 820.5±31.6mW/m~2 ,851.1±13.5mW/m~2)輸出高于葡萄糖為底物時(shí)的最大功率密度(802.5±19.4 mW/m~2)。電位分析結(jié)果顯示,與葡萄糖為底物的反應(yīng)器陽極電位相比,秸稈降解液的水解產(chǎn)物能使反應(yīng)器的陽極電位保持在一個(gè)更低的水平,更有利于陽極微生物的生長(zhǎng)與產(chǎn)電,但是由于降解液使得反應(yīng)器陰極電位有所下降,導(dǎo)致秸稈降解液最大輸出功率略低于葡萄糖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí):利用秸稈降解液作為底物構(gòu)建MFC體系是可行的,選取適當(dāng)時(shí)間的秸稈降解液作為底物,可以獲得優(yōu)于葡萄糖對(duì)照的產(chǎn)電性能。 啟動(dòng)放大的微生物燃料電池反應(yīng)器為后續(xù)建立可應(yīng)用于實(shí)際的EMAS體系利用秸稈及秸稈降解液為潛在資源創(chuàng)造條件。反應(yīng)器的陽極采用碳刷,陰極采用空氣陰極,容積250L。以生活污水為進(jìn)水,經(jīng)過450h的馴化,獲得了0.14~0.18A的穩(wěn)定輸出電流。在生活污水中摻雜40%秸稈降解液后,通過極化曲線的測(cè)定,反應(yīng)歐姆內(nèi)阻僅為2.5±0.2Ω,最大功率輸出為58mW (0.93W/m~3)。放大微生物燃料電池系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)啟動(dòng),可以使基于MFC技術(shù)的秸稈綜合利用研究更具有實(shí)際意義。 【關(guān)鍵詞】：微生物燃料電池 大型化 玉米秸稈 產(chǎn)電 纖維素糖化菌群
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：X703.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 國(guó)內(nèi)外能源形勢(shì)11
• 1.2 微生物燃料電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀11-18
• 1.2.1 微生物燃料電池產(chǎn)電機(jī)理11-14
• 1.2.2 微生物燃料電池的優(yōu)勢(shì)和主要限制因素14-15
• 1.2.3 微生物燃料電池底物發(fā)展現(xiàn)狀15-18
• 1.3 秸稈綜合利用研究現(xiàn)狀18-21
• 1.4 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線21-22
• 1.5 課題來源22-23
• 第2章 實(shí)驗(yàn)材料與方法23-33
• 2.1 實(shí)驗(yàn)材料23-24
• 2.1.1 秸稈成分與來源23
• 2.1.2 纖維素降解菌23-24
• 2.1.3 產(chǎn)電菌菌源24
• 2.1.4 磷酸鹽緩沖溶液24
• 2.2 儀器與藥品24-27
• 2.2.1 MFC 反應(yīng)器24-26
• 2.2.2 儀器與藥品26-27
• 2.3 分析與測(cè)量方法27-33
• 2.3.1 數(shù)據(jù)采集與計(jì)算方法27-29
• 2.3.2 測(cè)量方法29-33
• 第3章 秸稈為MFC 底物的產(chǎn)電性能研究33-43
• 3.1 空氣陰極催化性能評(píng)價(jià)33-34
• 3.2 瓶型MFC 秸稈產(chǎn)電性能研究34-38
• 3.2.1 瓶型MFC 利用葡萄糖產(chǎn)電34-36
• 3.2.2 瓶型MFC 秸稈產(chǎn)電性能36-38
• 3.3 立方體MFC 秸稈產(chǎn)電性能研究38-41
• 3.3.1 立方型MFC 接種與啟動(dòng)38-40
• 3.3.2 立方體MFC 秸稈產(chǎn)電性能40-41
• 3.4 本章小結(jié)41-43
• 第4章 秸稈降解液為MFC 底物的產(chǎn)電性能研究43-56
• 4.1 秸稈降解液的制備43-46
• 4.1.1 秸稈降解液的接種43
• 4.1.2 秸稈培養(yǎng)基及菌源液接種本底值43
• 4.1.3 秸稈回收方法與回收率43-44
• 4.1.4 秸稈降解液特征分析44-46
• 4.2 立方體微生物燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)46-48
• 4.2.1 空氣陰極性能評(píng)價(jià)46-47
• 4.2.2 立方型MFC 產(chǎn)電性能47-48
• 4.3 MFC 利用秸稈水解液產(chǎn)電性能分析48-50
• 4.3.1 秸稈水解液適應(yīng)期48-49
• 4.3.2 秸稈降解液產(chǎn)電性能研究49-50
• 4.4 秸稈水解液產(chǎn)電性能綜合評(píng)價(jià)50-55
• 4.4.1 功率輸出性能50-51
• 4.4.2 電極電位和反應(yīng)器內(nèi)阻變化51-52
• 4.4.3 反應(yīng)器電壓和周期變化52-55
• 4.5 本章小結(jié)55-56
• 第5章 放大微生物燃料電池設(shè)計(jì)與啟動(dòng)56-65
• 5.1 大型微生物燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)56-58
• 5.1.1 電池系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)56-57
• 5.1.2 單個(gè)電池模塊的進(jìn)水方式57-58
• 5.2 放大的微生物燃料電池系統(tǒng)接種與啟動(dòng)58-59
• 5.2.1 系統(tǒng)接種菌源與運(yùn)行條件58
• 5.2.2 系統(tǒng)啟動(dòng)期電壓產(chǎn)生與變化58-59
• 5.3 放大的微生物燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)與電能輸出59-64
• 5.3.1 系統(tǒng)運(yùn)行前期進(jìn)出水參數(shù)59-61
• 5.3.2 系統(tǒng)電能輸出性能61-64
• 5.4 本章小結(jié)64-65
• 結(jié)論65-66
• 參考文獻(xiàn)66-70
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果70-73
• 致謝73

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