论文部分内容阅读
微生物燃料电池(Microbial fiiel cell, MFC)以产电微生物为催化剂将废水中蕴含的化学能转化为电能,是一种新型的污水处理与能源回收技术。单室空气阴极MFC结构简单,能够在无外力作用下直接吸取空气中的氧气,具有良好的应用前景。目前MFC尚未实现大规模实际应用,制约MFC实用化的因素主要有三方面：电池功率密度偏低、构造成本偏高和长期运行稳定性差。本论文针对MFC实用化的需求,通过调控阳极和阴极电化学反应的界面特性,强化电极的电化学性能,为提高MFC的功率密度、降低构造成本、提高电池的长期稳定性提供理论和技术支持。针对阳极材料电化学性能偏低、处理成本偏高的问题,提出了低成本、环保、高效的阳极改性方法。以甲酸、异丙醇、过氧化氢、次氯酸钠预处理碳布阳极,降低了C-O和吡咯氮或吡啶氮(N-5)官能团的含量,促进了产电微生物在阳极表面的生长和成膜,提高了阳极生物膜的电子传递性能,从而使MFC的最大功率密度提高了26.4%～43.6%。采用对环境低污染的超声法和阳极倒出液处理碳布阳极,使MFC的最大功率密度提高了23.3%和32.7%。针对空气阴极氧气还原性能不理想、耐水压性能差的问题,开发了一种新型耐水压不锈钢网空气阴极；采用微波辐射法代替传统的加热方式制备空气阴极催化层,改善了催化层内氧气还原的三相界面,提高了阴极交换电流密度,降低了阴极内阻,使MFC的最大功率密度提高了15.6%-23.3%。为了解决空气阴极电化学性能长期稳定性较差的问题,研究了阴极生物膜产生的溶解性微生物产物(SMP)对空气阴极的影响机理,并首次对MFC系统中的SMP进行了表征。发现MFC阴极生物膜SMP含有大量的多糖、蛋白质和腐殖酸等有机物,这些物质含有丰富的羧基、氨基、羟基等官能团,SMP的分子直径小于600nm。MFC长期运行后,阴极生物膜SMP会扩散进入催化层,降低催化层的疏水性,降低阴极的导电性和催化剂的催化活性,并阻碍氧气、H+、OH-等物质的传输,从而增大阴极内阻,降低空气阴极的电化学性能和MFC的产电功率。为了提高空气阴极电化学性能的长期稳定性,提出了在催化层中嵌入恩诺沙星抑制阴极生物膜生长的新方法。使阴极表面生物膜的生物量降低了60.2%,大幅提高了空气阴极电化学性能的稳定性,使MFC运行3个月后功率密度几乎保持不变,而普通阴极MFC的功率输出下降了22.5%。