生物陰極MFC處理中高濃度生活污水研究

【摘要】：在現(xiàn)今能源緊缺、環(huán)境污染嚴重的大前提下，以生物質(zhì)發(fā)電技術為核心的微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）越來越受到人們的關注，微生物燃料電池獨特的產(chǎn)電、去污兩種特性，是它成為眾多研究者關注的主要原因。 實驗充分考慮了已有的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)、類型，比較其優(yōu)缺點，設計了一種以生活污水為電解液的雙室生物陰極MFC。課題以間歇式、連續(xù)流兩種進水方式運行MFC為實驗基礎，考察了進水底物濃度、水力停留時間的改變及質(zhì)子在離子交換膜間擴散轉(zhuǎn)移對電池性能的影響，并結(jié)合電化學、動力學等研究方法初步探討了生物陰極MFC在處理生活污水、產(chǎn)電時的基礎性能，并取得以下實驗成果： 進水有機底物濃度對MFC的電壓輸出、功率密度具有明顯的“飽和效應”，進水底物濃度越大，電池電壓提升越慢，可以用經(jīng)典的Monod方程來描述這一變化規(guī)律，實驗得到了連續(xù)流時電壓隨進水COD濃度變化的Monod經(jīng)驗公式：V=132.1S94.34+S。相比間歇式來說，進水底物濃度相同時，連續(xù)流運行MFC有更好的水力紊動條件，電池的輸出電壓、功率密度及COD去除率都高于間歇式；并且在實驗中得到最大的電壓輸出為118.6mV，最大功率密度為81.2mW/m~3，COD的平均去除率在80%左右。電池的庫侖效率隨進水底物濃度的增大而減小，實驗中取得的最大庫侖效率為1.93%，電子回收率較低。 連續(xù)流運行MFC，水力停留時間減小時，電池電壓、功率密度呈減速上升趨勢；水力停留時間延長有助于提高污水的COD去除率。實驗中得到反應器的最優(yōu)水力停留時間為25h，對應下的平均輸出電壓112.4mV，平均功率密度56.2mW/m~3。 無添加緩沖劑連續(xù)流進水時MFC的陽極和陰極，均有比間歇式較好的pH環(huán)境，陽極的電解液pH接近中性；和其他研究者的結(jié)論相比，實驗中MFC陽極pH值沒有明顯下降的原因在于Gore-Tex膜對OH~－的傳質(zhì)能力比對H~+更強，OH~－大量的從陰極擴散至陽極中和了陽極室的酸性環(huán)境。計算得到Gore-Tex膜對OH~－的傳質(zhì)系數(shù)KT=1.402×10~(-6)cm·s~(-1)。 【關鍵詞】：微生物燃料電池（MFC） 生物陰極 Gore-Tex膜 生活污水
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：X799.3
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-18
• 1.1 環(huán)境污染下新能源的發(fā)展9-11
• 1.1.1 能源危機與空氣污染9-10
• 1.1.2 水污染現(xiàn)狀10
• 1.1.3 污水的能源化利用10-11
• 1.2 微生物燃料電池技術11-16
• 1.2.1 MFC 的發(fā)展歷程12-13
• 1.2.2 MFC 的工作原理13-14
• 1.2.3 產(chǎn)電細菌的電子轉(zhuǎn)移機理14-15
• 1.2.4 生物陰極微生物燃料電池15-16
• 1.3 課題研究的目的和意義16-17
• 1.4 課題研究的內(nèi)容17-18
• 2 實驗方法與材料18-30
• 2.1 生物陰極燃料電池的構(gòu)建與啟動18-23
• 2.1.1 反應器結(jié)構(gòu)設計18-19
• 2.1.2 MFC 離子交換膜的選取19-21
• 2.1.3 材料預處理21-22
• 2.1.4 反應器的接種與啟動22-23
• 2.2 數(shù)據(jù)的采集與方法23-24
• 2.2.1 電壓采集23
• 2.2.2 實驗化學參數(shù)分析方法23-24
• 2.3 MFC 的性能評價與計算24-30
• 2.3.1 極化曲線與功率密度曲線24-26
• 2.3.2 MFC 內(nèi)阻的計算26-27
• 2.3.3 庫倫效率27-28
• 2.3.4 COD 去除率28
• 2.3.5 MFC 的電位化學分析理論28-30
• 3 間歇式進水 MFC 處理生活污水的性能研究30-46
• 3.1 MFC 的啟動30-31
• 3.2 MFC 啟動初期的運行特性31-34
• 3.2.1 陽極有機底物的變化規(guī)律31-33
• 3.2.2 MFC 的產(chǎn)電性能33-34
• 3.3 MFC 穩(wěn)定運行期對生活污水的處理性能34-40
• 3.3.1 COD 去除效果及庫侖效率35-38
• 3.3.2 電池輸出電壓38-40
• 3.3.3 功率密度40
• 3.4 無緩沖劑時 MFC 的 PH 值變化影響40-45
• 3.4.1 pH 值的變化對 MFC 的影響40-42
• 3.4.2 OH－在離子交換膜中的傳質(zhì)42-45
• 3.5 小結(jié)45-46
• 4 連續(xù)流進水 MFC 處理生活污水的性能研究46-58
• 4.1 進水底物濃度對 MFC 的影響46-50
• 4.1.1 COD 去除率及電壓輸出46-48
• 4.1.2 輸出電壓 Monod 經(jīng)驗公式的建立48-49
• 4.1.3 功率密度與庫侖效率49-50
• 4.2 最優(yōu)水力停留時間選擇50-54
• 4.2.1 不同 HRT 下 MFC 的產(chǎn)電性能51-52
• 4.2.2 有機物去除率52-54
• 4.3 PH 對 MFC 的影響變化比較54-57
• 4.4 小結(jié)57-58
• 5 結(jié)論58-59
• 致謝59-60
• 參考文獻60-64

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