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基于pH调控的蓝藻水处理微生物燃料电池产电特性研究

作　者: 吴瑾妤
导　师: 李秀芬
学　校: 江南大学
专　业: 环境工程
关键词: 沉积型微生物燃料电池 pH 蓝藻酸化液循环伏安扫描(CV) 电子传递特征
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell, SMFC)是一种新型无膜微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell, MFC)系统,具有结构简单,成本低廉,无二次污染等特点,不仅可实现废弃物或废水的资源化利用,而且其结构特别适用于污染湖泊、河流等水体的原位修复并为用电量不高的水下装置供电。本研究以蓝藻酸化液为底物,从电池性能、产电特性及阳极生物膜特性等方面综合探讨了阴/阳极pH对SMFC体系运行特性的影响,并结合循环伏安法(Cyclic Voltammetry, CV)深入分析了蓝藻水处理SMFC体系的电子传递特征,不仅可为蓝藻水的无害化、资源化提供一种新方法,也可丰富和拓展MFC的应用领域,具有重要的理论和实践意义。主要研究内容和结果如下：(1)阴/阳极pH对SMFC体系启动及电池性能的影响研究表明,阳极碱性、阴极酸性条件利于SMFC产电。pH为7/7(阴极/阳极)体系的最大功率密度仅为49.47mW/m2,pH为7/5.5体系的最大功率密度最低,为27.65 mW/m2,而pH为5.5/8.5体系的最大功率密度最高,达87.74 mW/m2。阳极pH对体系COD去除率有较大影响,但由于SMFC是一个复杂的微生物体系,同时存在产甲烷过程、发酵过程及其他相关的氧化还原反应等,电池的功率密度与COD去除率之间未呈现明显的相关关系。(2)阴／阳极pH对SMFC体系产电特性的影响研究表明,阴极酸性条件可降低SMFC体系的欧姆损失,阳极碱性则可提高产电微生物的代谢活性进而降低阳极电势及活化阻力,最终提高体系功率密度输出。pH为5.5/8.5体系的阳极电势最低,为-528 mV,阴极电势最高为146 mV,因此电池输出电压也最高,达674 mV。此时,电池的表观内阻最小,为360Ω,输出功率密度最大,为87.74 mW/m2。外阻较大时,SMFC的功率输出(放电)更稳定。(3)阴/阳极pH对SMFC体系阳极生物膜特性的影响研究表明,胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances, EPS)对阳极生物膜的形成及维持具有重要作用。阳极酸性条件下,微生物为抵抗外界pH变化分泌吸附更多的胞外多糖,pH为7/5.5体系的EPS中多糖含量最高,为18.82mg/gVS。阳极中性及碱性条件下,适宜的pH有助于微生物生长,易在阳极表面形成稳定的生物膜,并显著提高阳极生物膜的电化学活性,pH为5.5/8.5体系的阳极生物量最大,生物膜的含P量为8.23μgP/g碳毡。该体系CV扫描曲线的峰电流最高且还原峰数目最多,阳极电子传递机制呈现多样性。SEM观察发现,此时阳极生物膜以杆菌为主,并有少量球菌和丝状菌。(4)结合循环伏安电化学手段对蓝藻水处理SMFC体系的电子传递特征进行了深入分析,结果表明,该体系的电子传递及电流产生主要依赖生物膜的形成并与阳极直接接触,提高体系的电流密度输出可通过优化阳极生物膜的成膜能力实现。然而,细胞色素及纳米导线何为主要的电子传递机制,仍需进一步研究。

基于pH调控的蓝藻水处理微生物燃料电池产电特性研究

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