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微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)是一种特殊的燃料电池,它利用微生物的催化作用,直接将有机物质的化学能转化为电能。它能够在处理废水的同时收获电能,可以降低废水处理成本,为解决能源和环境问题提供了一条可行之路。本论文利用混合产氢细菌构建了双室直接型微生物燃料电池,主要研究了提高双室微生物燃料电池产电能力的影响因素,并对混合产氢细菌的产电机理进行了初步探究,取得了以下成果:
1.通过连续实验的方法研究了不同水力停留时间、不同底物浓度对双室微生物燃料电池产电性能的影响。研究发现:水力停留时间为8h的MFC产电性能最佳:水力停留时间为10h的MFC输出电能最稳定;阳极溶液总生物量随底物浓度的变化趋势大致呈指数变化;在水力停留时间为10h的运行条件下,最佳底物蔗糖浓度为3.5g/L;在底物蔗糖浓度为1g/L时,该双室型微生物燃料电池的内阻最小为700Ω。
2.利用场发射扫描电子显微镜观测到了阳极碳纸电极上形成的生物膜厚而致密。实验证实了在未形成生物膜前,已经有电流产生,起传递电子作用的可能是悬浮微生物,该双室微生物燃料电池能否产电与生物膜的形成没有必然联系。
3.通过间歇实验的方法研究了温度、阳极溶液中硫酸亚铁浓度、阳极溶液pH值以及阴极电子受体种类和浓度对双室微生物燃料电池产电性能的影响。所使用的混合产氢细菌在35℃的条件下,全程控制阳极溶液pH值为7.3时的电池产电效果最佳。阳极溶液中硫酸亚铁的加入在MFC运行的前9天对产电具有促进作用,9天之后对产电起抑制作用。分别考察了以溶氧、溶氧+铁氰化钾、铁氰化钾、高锰酸钾为阴极电子受体的MFC的产电性能,研究发现以高锰酸钾作为阴极电子受体的MFC产电性能最好,当高锰酸钾溶液的浓度为0.01 M时,MFC可获得的最大功率密度为968.26 mW/m3。由于在中性阴极缓冲液中,反应生成的MnO2覆盖在电极表面会影响电能的连续输出,因而铁氰化钾更适合用于双室微生物燃料电池的阴极电子受体,铁氰化钾溶液的最佳浓度为0.1M。
4.通过正交试验法确定了阳极溶液pH值是影响输出电压的最显著因素。通过响应曲面设计法获得了实验的最佳条件:蔗糖浓度为11.1g/L,温度为38.24℃,硫酸亚铁浓度为108.37mg/L。上述研究结果,为进一步实现微生物燃料电池工业化提供了理论依据。