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微生物燃料电池(Microbial fuel cell,MFC)技术在净化污水的同时可以将有机物中的化学能直接转化为电能,是一种新型污水处理与能源回收技术,为未来污水处理提供了新思路。空气型MFC具有良好的应用前景,不需主动曝气,阴极以空气中的氧气为电子受体,还原产物是水。库仑效率和功率密度偏低、成本偏高是制约空气型MFC实用化的关键问题。本论文系统研究了空气型MFC分隔材料特性,并以此为基础对空气阴极及反应器构型进行了优化,以提高MFC产电功率和库仑效率,为进一步研究奠定基础。本论文建立了以质子传质系数、氧气传质系数以及欧姆内阻为评价指标的空气型MFC分隔材料的评价体系,比较了非荷电性分隔材料玻璃纤维、尼龙、J-Cloth以及荷电性分隔材料阴、阳离子交换膜等多种材料的特性与产电性能。研究表明玻璃纤维具有良好的质子传递性能、高效的阻隔氧气性能以及较小的欧姆阻力,用作分隔材料可以有效缩短MFC启动时间,增强阳极性能,减少阴极生物污染,提高产电功率和库仑效率。本论文考察了非荷电性分隔材料孔径对MFC产电性能的影响,研究表明0.2μm～160μm六种孔径尼龙材料用作分隔材料时MFC的功率密度与库仑效率呈负相关性。研究还发现荷电性分隔材料阴、阳离子交换膜的形变特征及其对MFC产电的负影响,提出了使用不锈钢网控制形变的策略,使MFC功率密度显著提高,且阴离子交换膜优于阳离子交换膜。本论文在使用优选的玻璃纤维分隔材料的MFC构型下,基于防水与扩散层常用材料聚四氟乙烯PTFE,考察了阴极碳布防水比例及扩散层层数对阴极性能的影响,研究表明阴极性能与其氧气传质系数具有正相关性,在使用分隔材料的MFC构型下,空气阴极在确保不漏水的前提下,可以使用最少的扩散层层数以获得最大的氧气传质系数。开发了以全氟乙烯丙烯共聚物FEP为新型碳布防水材料和扩散层材料的空气阴极,性能优于PTFE阴极。本研究构建了以玻璃纤维分隔材料、空气阴极为一体的双侧型MFC新构型,研究表明该构型通过最大限度减小两极间距,提高电极比表面积,显著降低了MFC的内阻,提高了产电功率密度,库仑效率高达91%,且运行稳定性良好,进而为优化空气型MFC设计提供了数据支持。