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《长安大学》 2015年
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单室微生物燃料电池的电极优化及应用研究

李会慧  
【摘要】:微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell,MFC)是一种利用产电微生物的催化作用将有机物中所含的化学能转化为电能的装置。该技术可以作为一种新型的废水处理方式,在处理废水的同时产电。目前,关于微生物燃料电池的研究还不成熟,微生物燃料电池技术的发展仍然有许多问题亟待解决。其中,阻碍该技术商业化和实际应用扩大化的两大问题是产电性能差和成本高,而电极材料则是决定MFC产电性能和成本的关键因素。如何通过对阴阳极材料修饰优化来提高MFC的整体产电性能显得尤为重要。本文以单室微生物燃料电池为基础,以石墨烯和聚苯胺为修饰材料,分别对MFC的阴阳极进行修饰优化,探讨了阴阳极的修饰优化对MFC产电性能的影响。在电极优化的基础上,对单室MFC降解土霉素进行了初探。本论文的研究结果概括如下:(1)采用浸渍法制备了石墨烯/碳布电极(G/CC)、聚苯胺/碳布电极(PANI/CC)和聚苯胺-石墨烯/碳布电极(PANI-G/CC),并对其进行了线性扫描伏安法(LSV)和电化学阻抗谱(EIS)测试。测试结果表明,碳布电极经石墨烯-聚苯胺修饰后,氧气还原催化活性增大,活化内阻显著降低。将CC、G/CC、PANI-G/CC电极分别装配到自制的单室MFC阴极中运行,得到PANI-G/CC阴极MFC的最大功率密度8.48 mW/m2,分别是CC阴极MFC和G/CC阴极的3.2倍和1.7倍。说明石墨烯-聚苯胺修饰阴极可提高单室MFC的产电性能,且效果优于石墨烯单一修饰。(2)用磺化酞菁钴(CoPcSO4)催化剂修饰四种不同电极,研究其对单室MFC产电性能的影响。研究结果表明,相较于其他三种电极,Co-PANI-G/CC电极的氧气还原催化性能更好。Co-PANI-G/CC阴极MFC的最大功率密度32.2 mW/m2,分别是Co-G/CC阴极MFC和Co-PANI/CC阴极MFC的1.8倍和1.7倍,比Co-CC阴极MFC提高了6.1倍。说明磺化酞菁钴-聚苯胺-石墨烯复合修饰阴极可以显著提高单室MFC的产电性能,是一种简单有效的阴极修饰方法。(3)采用石墨烯和聚苯胺进一步修饰单室MFC阳极,得到PANI-G/CC阳极MFC的最大功率密度84.2mW/m2,分别是CC阳极MFC和G/CC阳极的2.5倍和1.7倍。PANI-G/CC阳极MFC的内阻为266Ω,分别比CC阳极MFC和G/CC阳极MFC减小了34%和21%。说明石墨烯-聚苯胺修饰阳极可减小MFC的内阻,从而进一步提高单室MFC的产电性能,且效果优于石墨烯单一修饰。(4)以不同浓度的土霉素(25mg/L,50 mg/L,100 mg/L,200 mg/L)和500mg/L的葡萄糖的混合物为燃料,构建单室MFC体系。研究了不同浓度的土霉素对单室MFC的产电性能及其对土霉素降解效果的影响。研究结果表明,随着土霉素浓度的增加,MFC的产电性能和降解性能逐渐下降。当土霉素浓度小于50mg/L时,运行时间为5天时,土霉素和COD的降解率均在90%以上。单室MFC对土霉素的降解过程符合一级反应动力学,拟合系数均大于0.95。利用单室MFC处理土霉素废水并产生电能的技术是可行的,这为土霉素废水的处理提供了新的思路。
【关键词】:单室微生物燃料电池 石墨烯 聚苯胺 电极修饰 土霉素
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TM911.45
【目录】:
  • 摘要4-6
  • 英文摘要6-11
  • 第一章 绪论11-24
  • 1.1 研究背景11
  • 1.2 微生物燃料电池概述11-16
  • 1.2.1 MFC的发展历史11-12
  • 1.2.2 MFC的工作原理12-13
  • 1.2.3 MFC特点13-14
  • 1.2.4 MFC分类14-16
  • 1.3 MFC的研究现状16-22
  • 1.3.1 反应器构型设计与改进16-17
  • 1.3.2 阳极的改进与优化17-18
  • 1.3.3 阴极催化剂的研究18-20
  • 1.3.4 MFC应用前景20-21
  • 1.3.5 存在的问题21-22
  • 1.4 研究目的和主要研究内容22-24
  • 1.4.1 研究目的和意义22
  • 1.4.2 研究内容22-24
  • 第二章 实验材料与测试方法24-29
  • 2.1 实验仪器与实验材料24-25
  • 2.1.1 实验仪器24
  • 2.1.2 实验材料24-25
  • 2.2 实验装置25
  • 2.3 测试方法25-27
  • 2.3.1 电池性能指标25-26
  • 2.3.2 化学性能测试方法26-27
  • 2.3.3 电化学测试方法27
  • 2.4 微生物燃料电池的启动27-29
  • 第三章 石墨烯/聚苯胺修饰阴极在单室MFC中的应用研究29-37
  • 3.1 引言29
  • 3.2 MFC装置的设计与运行29-30
  • 3.2.1 MFC的启动29
  • 3.2.2 电极的制备29-30
  • 3.3 不同修饰电极的电化学表征30-32
  • 3.3.1 LSV测试30-31
  • 3.3.2 EIS测试31-32
  • 3.4 不同修饰阴极对MFC产电性能的影响32-36
  • 3.4.1 MFC的启动电压变化曲线32-33
  • 3.4.2 输出电压特性曲线33-34
  • 3.4.3 功率密度曲线和极化曲线34-35
  • 3.4.4 MFC内阻35-36
  • 3.5 本章小结36-37
  • 第四章 磺化酞菁钴修饰石墨烯/聚苯胺阴极在单室MFC中的应用研究37-43
  • 4.1 引言37-38
  • 4.2 MFC装置的设计与运行38
  • 4.2.1 MFC的启动38
  • 4.2.2 电极的制备38
  • 4.3 电化学表征38-39
  • 4.4 不同修饰阴极对MFC产电性能的影响39-41
  • 4.4.1 输出电压特性曲线39-40
  • 4.4.2 功率密度曲线和极化曲线40-41
  • 4.5 本章小结41-43
  • 第五章 石墨烯/聚苯胺修饰阳极在单室MFC中的应用研究43-48
  • 5.1 引言43
  • 5.2 MFC装置的设计与运行43-44
  • 5.2.1 MFC的启动43
  • 5.2.2 电极的制备43-44
  • 5.3 不同修饰阳极的电化学表征44
  • 5.4 不同修饰阳极对MFC产电性能的影响44-47
  • 5.4.1 输出电压特性曲线44-45
  • 5.4.2 功率密度曲线和极化曲线45-46
  • 5.4.3 MFC内阻46-47
  • 5.5 本章小结47-48
  • 第六章 单室MFC降解土霉素的研究48-55
  • 6.1 引言48
  • 6.2 MFC的启动运行48
  • 6.3 产电性能分析48-50
  • 6.3.1 输出电压48-49
  • 6.3.2 功率密度曲线和极化曲线分析49-50
  • 6.4 单室MFC对土霉素的降解研究50-53
  • 6.4.1 土霉素降解情况分析50-53
  • 6.4.2 COD去除效果分析53
  • 6.5 本章小结53-55
  • 结论与建议55-57
  • 参考文献57-63
  • 致谢63

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