论文部分内容阅读
21世纪，随着环境污染和能源匮乏问题的加剧，寻找新的能源开发和利用技术日益迫切。其中微生物燃料电池(Microbial Fuel Cell:MFC)为一种利用微生物的催化作用，将有机物中的化学能直接转化为电能的技术，正得到越来越多的关注。而沉积型微生物燃料电池(Sediment Microbial Fuel Cell:SMFC)作为传统的MFC的一种，因其SMFC不需要投加电子受体、供氧剂或微生物，而是利用沉积物/土壤中土著微生物，以电极作为直接电子受体氧化沉积物/土壤中有机物，具有广泛的应用价值。本文在全面综述国内外SMFC研究进展的基础上，首先研究了阴极修饰对于SMFC产电性能的影响，其次研究了SMFC阳极添加生物质对于提高其产电性能的影响，最后在沉积物中添加纤维素，研究阴极修饰对于底物强化后的SMFC的影响。本论文主要研究结果如下: 1，利用电化学沉积方法将碳纳米管修饰到不锈钢丝网上，并作为SMFC的电极，运行30 d后，发现不锈钢丝网通过电化学沉积碳纳米管修饰后的电极，当作为阴极时，其相应的SMFC最大电压为320 mV，输出功率达到31.6 mW/m2，是未修饰组的3.1倍，而作为阳极时，其产电提高不明显。通过对LSV及SEM的结果分析，碳纳米管很好地附着在不锈钢丝上，使其具有高的电化学特性以及优良的氧还原特性。 2，沉积型微生物燃料电池中的阳极营养物质主要来源于沉积物，其中的有机物直接关系到SMFC产电能力。本实验通过添加生物质来增加沉积物中的营养成分，研究其对SMFC产电性能的影响。选择水生植物菖蒲和农作物秸秆水稻作为SMFC底物构建SMFC。结果表明，水生植物菖蒲和农作物秸秆水稻都能作为SMFC底物，当分别添加0.2％菖蒲和秸秆时，能产生最大电压为373 mV和561.3 mV。实验结果表明，添加3％菖蒲时，产电性能最佳，最大电压高达605mV，最大功率密度(Pmax)为195.6 mW/m2，是0.2％菖蒲实验组的2.1倍，是未加入菖蒲对照组的43.8倍，SMFC内阻仅为250Ω，远小于未加入菖蒲对照组的1000Ω。添加0.5％秸秆时，产电性能最佳，最大电压高达595.3 mV，最大功率密度(Pmax)为167 mW/m2，是0.2％秸秆实验组的1.11倍，是2％秸秆实验组的1.67倍，是未加入秸秆对照组的4.39倍，内阻为241Ω，小于未加入菖蒲对照组的301Ω以及2％秸秆实验组的390Ω。通过比较SMFC对菖蒲和秸秆主要成分（纤维素、半纤维素和木质素）降解速率，发现SMFC对菖蒲的降解更快，是SMFC降解秸秆速率的2倍。 3，选择菖蒲作为SMFC底物，电化学沉积碳纳米管修饰碳毡作为SMFC阴极电极，研究其对SMFC产电性能的影响。添加0.5％菖蒲，低于最佳添加量3％，用于控制阳极室营养成分不至于过剩。通过改变电化学沉积时间来控制载碳纳米管负载量。结果表明，电化学沉积时间90 min，碳毡上能沉积1.68％碳纳米管，循环伏安法(CV)测试结果表明，电化学沉积60 min和90 min，电化学活性相差无几，具有比未电化学沉积的碳毡电极较高的电流响应。同时电化学沉积时间为90 min的SMFC最大功率密度能达到214.7 mW/m2，是未电化学沉积碳纳米管SMFC实验组的1.47倍。实验还考察SMFC阴极的催化作用，发现SMFC主要是生物催化和化学催化两者共同的作用。当碳毡上负载1.68％(T=90 min)碳纳米管时，运行的SMFC电压比未电化学沉积的SMFC电压提高92 mV，催化作用明显。生物催化体现在交换阴极电极实验和阴极灭菌实验时，功率密度急剧下降了，未电化学修饰实验组下降91 mW/m2，电化学沉积90 min SMFC实验组下降了117.5 m W/m2。