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提高微生物燃料电池性能的电极材料研究

作　者: 迟美玲
导　师: 周明华
学　校: 南开大学
专　业: 环境工程
关键词: 微生物燃料电池阳极改性电化学氧化电聚合功率密度
分类号: TM911.45
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来,能源危机和水污染问题日益突出,已成为制约人类生存和发展的重要因素之一。废水中含有以可生物降解型有机物形式存在的能量,如果能在废水处理的同时回收这部分能源将是最佳的选择。微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells,简称MFC)是一种利用微生物作为催化剂氧化有机物并直接将化学能转化成电能的新型装置。目前,该技术已被作为新型资源化技术应用于废水处理中,但因输出功率低等核心问题仍处于实验室研究阶段。在众多影响因素中,电极材料尤其是阳极材料对MFC性能及建设成本都具有非常重要的影响。我们除了选择优良的材料做阳极之外,对现有的阳极材料进行改性也是重要的手段之一。目前,虽然已经研究出一些阳极改性方法但是大多存在设备复杂、条件苛刻、制备时间过长、实际应用性差等问题。因此,针对以上问题本文选用单室空气阴极MFC作为反应器,探索了简单实用、高效价廉的两种电化学阳极改性方法,以实现MFC性能的提高。首先,本文采用碳纤维布作为阳极材料,分别选取NH4NO3和(NH4)2S2O8作为电解质,利用电化学氧化方法(电流强度10 mA,处理时间30min)对其进行表面改性；然后将改性前后的碳纤维布分别作为阳极启动4个MFCs,经过一段时间的运行,考察产电和废水处理性能。主要研究结论如下：第一,改性后MFC的功率密度均得到提升,以HN03改性后效果最佳,功率密度达到了792 mW/m2,比未改性的552 mW/m2提高了43%；NH4NO3改性后的功率密度也提高了33%,达到736 mW/m2。第二,改性后的MFC内阻减小了。HN03改性和NH4NO3改性的内阻分别由改性前的158Ω降低到122Ω和125Ω,分别降低了23%和21%。第三,通过SEM、XPS和CV等电化学分析等手段发现,改性提高了材料表面粗糙度和N1s/C1s比,电化学蚀刻作用和表面官能团的引入可能是改性提高MFC性能的主要原因和机理。第四,与文献报导的其他阳极改性方法相比,电化学氧化法具有成本低、操作条件温和、简单实用等优点。其次,本文另以石墨毡为阳极材料,采用电聚合方法将纳米级聚吡咯颗粒负载到石墨毡表面。以循环伏安扫描次数来控制反应时间,其分别5CV(PPy-1)、10CV (PPy-2)、20CV (PPy-3)。实验考察了反应时间对聚吡咯形貌的影响以及改性对MFC性能的影响。实验结果表明,聚吡咯颗粒尺寸大约在50nm左右,但随着反应时间的增加制备的纳米颗粒呈现簇拥堆叠成团的现象。未改性的MFC的功率密度最大为375 mW/m2。反应器PPy-2的最大功率密度为430mW/m2,与未改性的相比提高了15%。PPy-3的最大功率密度也提高到了412mW/m2。另外,改性后库仑效率和COD去除率也有了一定的提高。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-25
  第一节研究背景  12-15
    1.1.1 能源短缺和环境问题制约着人类的生存和发展  12-14
    1.1.2 微生物燃料电池——废水处理及同步生物产电的新型工艺  14-15
  第二节文献综述  15-24
    1.2.1 MFC产电原理  15-16
    1.2.2 MFC研究进展  16-17
    1.2.3 MFC影响因素及发展方向  17
    1.2.4 MFC阳极重要性和发展现状  17-22
    1.2.5 MFC在废水处理中的应用  22-23
    1.2.6 文献小结  23-24
  第三节主要研究目的及研究内容  24-25
    1.3.1 主要研究目的和意义  24
    1.3.2 主要研究内容  24-25
第二章实验材料与方法  25-33
  第一节实验药品与仪器  25-28
    2.1.1 MFC构建所需实验材料  25-26
    2.1.2 MFC启动运行所需实验材料与药品  26-28
    2.1.3 实验仪器  28
  第二节 MFC的启动和运行  28-29
  第三节实验监测与分析计算方法  29-33
    2.3.1 物理监测与计算方法  29-31
    2.3.2 化学监测与计算方法  31-32
    2.3.3 电化学与材料学分析方法  32-33
第三章电化学氧化法改性阳极材料的研究  33-55
  第一节引言  33-34
  第二节改性阳极的制备与筛选  34-40
    3.2.1 电化学氧化法电解质的选取  34
    3.2.2 实验装置与实验材料  34-35
    3.2.3 改性阳极制备  35-36
    3.2.4 改性阳极的筛选  36-40
  第三节改性阳极的MFC应用与分析  40-50
    3.3.1 MFC启动  40
    3.3.2 改性对MFC启动和开路电压的影响  40-42
    3.3.3 改性对阳极电势的影响  42
    3.3.4 改性对产电性能和内阻的影响  42-45
    3.3.5 改性对COD去除率及适应性的影响  45-50
  第四节电化学氧化法处理MFC阳极材料的改性原理探索  50-54
    3.4.1 LSV与CV分析  50-51
    3.4.2 SEM分析  51
    3.4.3 XPS分析  51-53
    3.4.4 改性机理  53-54
  第五节本章小结  54-55
第四章聚吡咯改性阳极材料的研究  55-67
  第一节引言  55-56
  第二节改性阳极的制备  56-60
    4.2.1 实验仪器与试剂  56
    4.2.2 实验方法  56-57
    4.2.3 聚吡咯生长过程  57-58
    4.2.4 反应时间对聚吡咯形貌的影响  58-60
  第三节改性阳极的MFC应用与分析  60-65
    4.3.1 MFC启动  60-61
    4.3.2 改性对启动时间和开路电压的影响  61-62
    4.3.3 改性对产电效率和库仑效率的影响  62-63
    4.3.4 改性对COD去除率的影响  63-64
    4.3.5 改性对MFC电化学特性的影响  64-65
  第四节本章小结  65-67
第五章结论与展望  67-70
  第一节主要结论  67-69
  第二节主要创新点  69
  第三节展望  69-70
参考文献  70-75
致谢  75-76
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  76

提高微生物燃料电池性能的电极材料研究

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