辊压法制备MFC空气阴极产电性能实验研究

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微生物燃料电池(MFC)是一种在处理废水的同时,能够产电的生物电化学技术,具有很好的应用前景。本实验以PTFE/活性炭为催化层、PTFE/导电炭黑为扩散层,分别将催化层和扩散层辊压到碳钢网上两侧,形成三明治结构的空气阴极。在此基础上,采用XRD、SEM、电化学工作站、电泳凝胶等物理、化学、生物方法来分别检验不同阳极、不同条件处理下的阴极、运行过程中条件变化对反应器所造成的影响。(1)分别采用碳纸和碳毡作为阳极,启动反应器后,碳纸未启动成功,碳毡在13天后电压达到50mV,其后若干周期运行良好。首先,分析比较现阶段采用的碳毡阳极与原启动成功的碳刷阳极上的电极菌群分布,得出产电阳极上proteobacter菌属为优势菌(分别占总量80.36%、78.52%);其次,改变电势和阳极表面积,得出阳极电位在-200mV左右时,运行的综合效果最佳。阳极电势为-200mV时,最大功率密度为58.7 mW/m~2,同时COD去除率和库伦效率分别为72%、7.3%。短时间内阳极碳毡减半,电动势变化较小,功率密度除了30℃时没有发生明显变化外,均有一定程度的降低。(2)以酒精分散制作的空气阴极扩散层电阻线密度(350Ω/cm)远大于水制作空气阴极的扩散层内阻(170Ω/cm),同时进气量也较弱,但两者的实际功率密度却相近。(水为分散剂制作的功率密度为1172mW/m~2,酒精为分散剂制作阴极的反应器功率密度为1021mW/m~2)。用烘干(功率密度975mW/m~2)代替烧结(687mW/m~2)可以提高空气阴极的运行效果。比较未去除阴极表面活性分子(最大功率密度822.5mW/m~2)和去除表面活性剂的最大功率密度(仅仅在684mW/m~2),不去除电极表面活性分子效果更佳。(3)改变温度、底物浓度、成分以及生物膜,对阳极微生物的代谢状况均产生影响:30°C的运行效果(功率密度、COD去除率、功率密度)最适宜。底物替换为生活污水后,初始运行时的反应器电动势(350mV)接近实验室配水时的电动势(413mV),长期运行下功率密度会下降(120天内,有1165mW/m~2降低到786mW/m~2)。采用工业废水运行失败,说明单室空气阴极MFC目前仅适宜低盐高有机物浓度的废水处理。
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