论文部分内容阅读
微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)能在产电菌的作用下实现废弃物处理的同时回收电能,是一种具有前景的环境污染控制与清洁能源生产新技术。本论文围绕木质纤维素类物质及尿液等复杂废弃物的在MFC中的降解及转化规律、新型光电材料的设计和制备及光催化机理解析等,开展MFC中复杂废弃物的处置和能源回收的研究工作。主要研究内容和结果如下：1.为解决木质纤维素类物质的生物转化问题,构建了仿生瘤胃微生物燃料电池,证实了该MFC可直接处理木质纤维素类物质(如美人蕉),而无需特殊的预处理,并获得了0.405 W/m3的输出功率。通过分析产电过程中美人蕉的结构变化和及其降解中间产物的浓度变化,解析了木质纤维素类物质在该MFC中的降解机制。结果显示,在产电过程中,美人蕉中的部分木质素被去除,使得较多的纤维素暴露在基质表面,有利于后续的生物转化。2.针对尿液对城市生活污水中氮和磷的巨大贡献,构建了磷酸铵镁沉淀与MFC技术的集成尿液处理工艺,实现了尿液的有效处置,并可从尿液中同时回收肥料和电能。在该集成处理工艺中,N和P通过磷酸铵镁沉淀过程回收,有机物通过MFC转化为电能。PO43-P、NH4+-N和COD去除率分别达到94.6%、28.6%和64.9%,并有2.6 W/m3的功率输出。在综合考虑N、P的回收率情况下,外加PO43-P 620 mg/L,尿液中PO43-P、NH4+-N和的COD的去除率达到42.6%、40%和62.4%,功率输出为0.9 W/m3。3.制备了Pd纳米颗粒负载的硅纳米线阵列光电极,并依此为阴极与生物阳极耦合,构建了生物光电化学池。生物光电化学池的阳极在微生物的催化下,污染物被降解并通过外电路传递电子至光阴极,阴极在光照的作用下光生电子和光生空穴分离,阳极电子与光生空穴结合,形成电流并有效降低了光生空穴与光生电子的复合,进而促进了光生电子还原制氢。该系统的氢气和电能持续产生,最大功率密度达0.075 W/m2,平均氢气产生速率为37.5μmol/h。4.设计和制备了MoS3纳米颗粒负载的硅纳米线阵列光电极。MoS3纳米颗粒负载后的电极能够有效降低阴极还原过电势,有效提高阴极催化制氢的性能。以MoS3负载的硅纳米线阵列电极为光阴极与生物阳极耦合构建了生物光电化学池。阴极在可见光的照射下,氢气和电能会连续不断地产生,系统最大功率密度达到0.062 W/m2,平均氢气产生速率为44.9μmol/h。