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不同底物对微生物燃料电池产电影响及电能收集研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 废水处理的能耗与能源化

1.1.1 废水处理的能耗

1.1.2 废水能源化

1.2 微生物燃料电池概述

1.2.1 MFC发展历程

1.2.2 MFC原理

1.2.3 MFC电子传递机制

1.2.4 MFC电位

1.2.5 MFC内阻

1.3 微生物燃料电池研究进展

1.3.1 MFC构型

1.3.2 电极和隔膜

1.3.3 MFC底物研究现状

1.4 MFC电能收集的研究

1.5 MFC的优点及问题

1.6 研究内容及意义

第二章 实验装置及方法

2.1 实验装置及运行条件

2.1.1 实验装置

2.1.2 运行条件

2.2 实验仪器及化学试剂

2.3 电极材料的预处理与制备

2.3.1 阳极碳毡处理

2.3.2 空气阴极的制备

2.4 电化学方法与技术

2.4.1 电压采集

2.4.2 输出功率

2.4.3 极化曲线和功率密度

2.4.4 库伦效率

2.4.5 交流阻抗法

2.5 测试方法

2.6 MFC电能收集装置

2.6.1 电能收集系统的搭建

2.6.2 电能收集系统的评价

第三章 底物对MFC产电性能的影响

3.1 引言

3.2 以人工配水为底物的MFC产电研究

3.2.1 以人工配水为底物MFC的接种和运行

3.2.2 MFC废水处理效果和产电分析

3.2.3 MFC电极电位分析

3.2.4 MFC动力学过程分析

3.2.5 MFC功率密度分析

3.3 以生活污水为底物的MFC产电研究

3.3.1 以生活污水为底物MFC的接种和运行

3.3.2 MFC废水处理效果和产电分析

3.3.3 MFC电极电位分析

3.3.4 MFC动力学过程分析

3.3.5 MFC功率密度分析

3.4 以啤酒废水为底物的MFC产电研究

3.4.1 以啤酒废水为底物MFC的接种和运行

3.4.2 MFC废水处理效果和产电分析

3.4.3 MFC电极电位分析

3.4.4 MFC动力学过程分析

3.4.5 MFC功率密度分析

3.5 底物对MFC产电影响分析

3.6 本章小结

第四章 MFC电能收集的研究

4.1 引言

4.2 人工配水MFC电能收集过程

4.2.1 MFC电能收集过程的充电电压、电流

4.2.2 MFC电能收集效果

4.3 电能收集系统在实际废水中的应用

4.4 本章小结

第五章 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

参加科研情况

致谢

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摘要

微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)是利用微生物作为催化剂降解底物产生电能的生物处理技术,可以实现废水能源化。针对不同水质及负荷下MFC产电性能的差异,本文采用不同废水作为MFC的底物进行产电研究,为产电优化提供理论依据;针对电能低难于利用问题,本文采用电能管理系统(Power management system,PMS)收集MFC的电能,为MFC实用化技术提供新的解决方案。本文研究了人工配水、生活污水、啤酒废水对MFC产电性能的影响:包括底物对MFC启动期产电性能、COD去除率和库伦效率(Coulombic efficiency,CE)、电极电位、动力学过程、极化曲线和功率密度的影响,然后通过PMS收集MFC电能,实现间歇高电压、高功率输出。主要结论如下:
  (1)人工配水、生活污水、啤酒废水均可以启动MFC,稳定电压依次为0.60V、0.56V、0.44V。底物种类、电导率对启动期稳定电压有影响。以人工配水为对照,生活污水电导率高,电荷转移内阻、溶液内阻小,底物利用率高,电压与人工配水相当。啤酒废水电导率低,电荷转移内阻、溶液内阻大,底物利用率低,电压低于人工配水。
  (2)底物COD浓度对MFC产电性能有影响。底物浓度增加时,产电微生物活性增强,阳极氧化电位降低,阴极还原电位升高,总电位增加,氧化还原能力增强,底物利用率高。浓度变化时,阳极电位增幅大于阴极电位增幅,阳极电位是影响MFC产电的主要因素。
  (3)底物种类、电导率与MFC产电性能有着密切的关系。以人工配水为对照,生活污水MFC的COD去除率高,底物利用率高,溶液传质内阻小,产电能力高,溶液中传质是影响产电的主要因素;啤酒废水MFC的COD去除效率低,底物利用率低导致电荷转移内阻大,电导率低引起溶液内阻大,溶液中传质、电极表面的电化学反应是影响产电的主要因素。
  (4)采用PMS后,MFC的放电电压范围为1.60-2.00V,输出功率范围为2.56-4.00mW,为扩大MFC的应用范围、较低电压输出的问题提供了解决方案。

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