【摘 要】
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微生物燃料电池（MFC）是一种集废水生物降解与电化学转化过程于一体的绿色生物发电装置。因其在进行废水生物处理的同时能够产生电能,而且反应过程几乎不产生污染环境的有害物质,因而在环境、能源等研究和应用领域得到越来越广泛的关注。阳极材料是附着产电微生物并进行电子收集与传递的重要载体,其物理、化学性质及表面特性对微生物燃料电池的产电能力和净水效果均起着关键作用。性能优良的阳极材料应满足导电性好、比表面积
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微生物燃料电池（MFC）是一种集废水生物降解与电化学转化过程于一体的绿色生物发电装置。因其在进行废水生物处理的同时能够产生电能,而且反应过程几乎不产生污染环境的有害物质,因而在环境、能源等研究和应用领域得到越来越广泛的关注。阳极材料是附着产电微生物并进行电子收集与传递的重要载体,其物理、化学性质及表面特性对微生物燃料电池的产电能力和净水效果均起着关键作用。性能优良的阳极材料应满足导电性好、比表面积大、生物相容性强、性价比高等要求,从而有利于产电微生物的附着并促进电子的迁移。因此,通过阳极改性提高微生物燃料电池性能已成为一种常见且有效的方法。本文以提高微生物燃料电池废水处理效果和产电能力为目标,探索基于聚吡咯和β-环糊精对阳极进行改性的有效方法。以糖蜜废水为阳极填料,以K3[Fe（CN）6]和Na Cl的混合溶液为阴极电解液,以碳毡为阳极基底材料,建立微生物燃料电池实验系统。具体采用电化学沉积法将聚吡咯和Fe3O4电沉积在碳毡阳极上,并通过控制聚吡咯在阳极上的沉积时间使碳毡阳极有最大的比表面积,从而确定聚吡咯的最佳沉积时间,开发出Fe3O4-聚吡咯（PPy）新型复合材料修饰碳毡阳极（Fe3O4-PPy/CF）;采用一种简单的浸没方法,将β-环糊精（β-CD）和聚多巴胺（PDA）对碳毡阳极进行修饰,制备了β-CD-PDA/CF新型复合材料改性阳极。实验运行结果显示,由于聚吡咯具有良好的电催化活性,经Fe3O4-PPy复合材料改性的阳极可有效提高MFC的发电能力和废水处理效率。特别是当沉积时间为50min时,改性阳极(Fe3O4-PPy50/CF)对提高MFC性能起到更显著效果。与未改性碳毡阳极相比,Fe3O4-PPy50/CF使得MFC的稳态电流密度提高了59.5%,对糖蜜废水的化学需氧量（COD）去除率提高了95.3%。采用β-CD-PDA/CF复合改性阳极的MFC的最大电流密度为0.181 m A·m-2,比采用CF和β-CD-CF时分别提高了86.6%和22.3%;对糖蜜废水的COD去除率达到68.9%,而采用CF和β-CD/CF阳极时仅达到30.7%和49.8%。研究结果表明,本文提出的Fe3O4-Ppy阳极改性方法和β-CD-PDA阳极改性方法都对提高微生物燃料电池的综合性能起到了良好的效果。改性电极的亲水性、表面粗糙度、比表面积、电活性等方面均得到改善,进一步提高了产电微生物的附着能力和电子传递能力,从而改善了MFC废水处理效果和产电能力。因此,Fe3O4-PPy复合材料和β-CD-PDA复合材料均为有效的电极改性材料,可以用于微生物燃料电池的阳极修饰以提高微生物燃料电池性能。
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