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提高MFC产电性能及MFC处理抗生素废水实验研究

作　者: 孔凡英
导　师: 温青
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 环境工程
关键词: 微生物燃料电池表面活性剂 β-内酰胺类抗生素功率密度 COD去除率
分类号: X787
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

当今社会,能源紧缺及环境污染日益严重,微生物燃料电池(microbial fuel cell, MFC)作为一种既能实现废水处理减少环境污染,同时又能从中回收能源的技术,为解决环境与能源问题提供了新方向,对于实现人类的可持续发展起着非常重要的作用。目前,功率问题是影响MFC发展的瓶颈,而MFC无法进入实用领域的最主要原因也在于输出功率太低,提高MFC的输出功率的相关研究已成为微生物燃料电池领域一个至关重要的课题。本文从产电和废水处理两方面着手,探索采用表面活性剂提高MFC的产电性能的可行性；并以p-内酰胺类抗生素模拟废水为底物,考察抗生素废水在MFC中的处理效果及产电性能。首先,采用碳毡为阳极,葡萄糖为底物,构建单室空气阴极MFC,研究表面活性剂对MFC产电性能的影响。实验选择了两种表面活性剂——温和型、无毒性的非离子型表面活性物质吐温80和生物表面活性剂鼠李糖脂,考察了表面活性剂的种类和添加量对MFC的输出电压、输出功率、电极极化性能等方面的影响,探讨利用表面活性剂提高MFC产电能力的可行性。研究结果表明,(1)在以1000 mg L-1葡萄糖模拟废水为基质的单室MFC中,添加80 mg L-1吐温80后,MFC的开路电压由0.483 V增至0.606 V；MFC的最大功率密度由21.5 W m-3(0.6 W m-2)增至187 W m-3(5.2 W m-2),增加8.7倍。电化学分析显示,加入80 mg L-1吐温80后,MFC的电池内阻由27Ω降至5.7Ω；相应的阳极放电电流0.78A m-2增加至1.26 A m-2。(2)在1000 mg L-1葡萄糖模拟废水中加入80 mg L-1鼠李糖脂,MFC的开路电压由0.483 V增至0.878V；最大功率密度由21.5(0.6 W m-2)增至275 Wm-3(7.6 W m-2),增加12.8倍。电化学分析显示,加入80 mg L-1生物表面活性剂鼠李糖脂后,MFC的电池内阻由27Ω降至5.3Ω；阳极放电电流由0.78增加至1.47A m-2。吐温80或鼠李糖脂的加入可以增大细胞膜的通透性,降低电子传递阻力,从而降低电池内阻,增大电池的输出功率。该研究为提高MFC的性能提供了新的思路和方法。其次,构建单室空气阴极MFC,利用MFC系统处理抗生素模拟废水,考察MFC对抗生素废水的处理效果和产电的可行性,研究抗生素的浓度对MFC性能的影响。结果表明,(1)青霉素在MFC中可以降解并实现同步产电,且葡萄糖-青霉素的混合基质有利于产电。1000 mg L-1葡萄糖+50 mg L-1青霉素共基质的MFC输出功率(101.15W m-3)是单独1000 mg L-1葡萄糖产电(14.69 W m-3)与单独50 mg L-1青霉素产电(2.1 Wm-3)之和的6倍。同时,在MFC中,青霉素在24 h内的去除效率高达98%。(2)头孢曲松钠在MFC中可以降解并实现同步产电,且葡萄糖-头孢曲松钠的混合基质有利于产电。1000 mg L-1葡萄糖+50 mg L-1头孢曲松钠共基质的MFC输出功率(113 W m-3)是单独1000 mg L-1葡萄糖产电(19 W m-3)与单独50 mg L-1头孢曲松钠产电(11 W m-3)加和的3.8倍。在MFC中,头孢曲松钠在24h内的去除效率为91%。而在开路的MFC反应器中,头孢曲松钠的去除率为51%。MFC可以降解青霉素和头孢曲松钠并实现同步产电,并且一定浓度青霉素和头孢曲松钠的加入对MFC的产电和废水的降解均起到了促进作用。这可能是由于β-内酰胺类抗生素的加入破坏了产电菌细胞壁膜的完整性,于是细胞壁膜的不导电物质的阻碍作用相应减少,从而有利于电子的直接传递,最终导致功率输出的提高。该研究为MFC处理抗生素废水提供了研究基础,为能源与环境问题的共同解决提供了新思路。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章绪论  13-25
  1.1 微生物燃料电池  13-19
    1.1.1 微生物燃料电池的工作原理及产电过程  13-14
    1.1.2 微生物燃料电池国内外的研究进展  14-19
    1.1.3 微生物燃料电池的应用和优缺点  19
  1.2 表面活性剂  19-21
    1.2.1 表面活性剂的性质和应用  19-20
    1.2.2 吐温和鼠李糖脂  20-21
  1.3 抗生素废水  21-23
    1.3.1 抗生素的性质及分类  21-22
    1.3.2 抗生素废水的产生及研究现状  22
    1.3.3 β-内酰胺类抗生素  22-23
  1.4 课题的研究目的、意义和内容  23-25
    1.4.1 研究目的和意义  23-24
    1.4.2 研究内容  24-25
第2章实验与分析方法  25-31
  2.1 实验仪器与药品  25-26
  2.2 实验装置  26-27
  2.3 接种污泥、废水水质和运行控制方法  27
  2.4 测定项目和方法  27-30
    2.4.1 电压和电流  27
    2.4.2 极化曲线和功率密度  27-28
    2.4.3 电极电势  28
    2.4.4 电池内阻及交流阻抗谱  28-29
    2.4.5 阳极放电曲线  29
    2.4.6 废水处理效率  29
    2.4.7 库仑效率  29-30
  2.5 本章小结  30-31
第3章表面活性剂提高MFC产电性能的研究  31-44
  3.1 吐温80的加入对MFC性能的影响  31-38
    3.1.1 吐温80的加入对MFC输出电压的影响  31-32
    3.1.2 吐温80的加入对输出功率的影响  32-34
    3.1.3 吐温80对MFC开路电压和电极开路电位的影响  34
    3.1.4 吐温80的加入对电极电势的影响  34-35
    3.1.5 吐温80的加入对交流阻抗谱的影响  35-37
    3.1.6 吐温80的加入对MFC阳极放电曲线的影响  37-38
  3.2 鼠李糖脂的加入对MFC性能的影响  38-42
    3.2.1 鼠李糖脂的加入对输出功率的影响  38-39
    3.2.2 鼠李糖脂的加入对电极电势的影响  39-40
    3.2.3 鼠李糖脂的加入对交流阻抗谱的影响  40-41
    3.2.4 鼠李糖脂的加入对阳极放电的影响  41-42
  3.3 本章小结  42-44
第4章青霉素和头孢类模拟废水为底物的MFC性能研究  44-61
  4.1 以青霉素模拟废水为底物的MFC性能研究  44-51
    4.1.1 微生物的驯化和稳定运行  44-46
    4.1.2 青霉素浓度对MFC输出电压的影响  46-47
    4.1.3 青霉素浓度对输出功率的影响  47-48
    4.1.4 青霉素浓度对电极电势的影响  48-49
    4.1.5 青霉素浓度对交流阻抗谱的影响  49-50
    4.1.6 MFC中废水处理效果的研究  50-51
  4.2 以头孢曲松钠模拟废水为底物的MFC性能研究  51-59
    4.2.1 头孢曲松钠浓度对MFC输出电压的影响  52-53
    4.2.2 头孢曲松钠浓度对输出功率的影响  53-55
    4.2.3 头孢曲松钠浓度对电极电势的影响  55-56
    4.2.4 头孢曲松钠浓度对交流阻抗谱的影响  56-57
    4.2.5 头孢曲松钠浓度对阳极放电的影响  57-58
    4.2.6 MFC及厌氧反应器中废水处理效果的比较  58-59
  4.3 本章小结  59-61
结论  61-62
参考文献  62-70
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  70-71
致谢  71

提高MFC产电性能及MFC处理抗生素废水实验研究

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