無膜微生物燃料電池性能特性與應用拓展研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，簡稱MFC）是一種可以將廢水中有機物所蘊含的能量進行回收利用的新型可再生能源裝置。它利用陽極室內(nèi)的產(chǎn)電微生物將廢水中的有機物降解并用于產(chǎn)電，從而達到污水處理與產(chǎn)電相結(jié)合的目的。微生物燃料電池在處理廢水的同時回收了能源，可較大程度降低污水處理的運行成本。目前微生物燃料電池性能仍較低，若能大幅提高微生物燃料電池性能，將大大改善傳統(tǒng)的污水處理方式能耗大，成本高，只有投入沒有產(chǎn)出的缺陷，進

2、而使污染物處理成為一種有利可圖的行業(yè)。
　　無膜微生物燃料電池是目前微生物燃料電池研究的重要方向之一。目前，無膜微生物燃料電池的研究大多著重于陰陽極材料、電解質(zhì)溶液方面的研究，而未針對陽極側(cè)傳質(zhì)過程對電池的影響進行研究。本論文首先構(gòu)建了無膜微生物燃料電池，研究了蛇形和交指型兩種陽極流場型式對無膜MFC產(chǎn)電性能、生物膜生長狀態(tài)、陽極性能和陰極性能的影響。在此基礎(chǔ)上，本文將無膜微生物燃料電池技術(shù)與膜生物反應器技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建了可處理有

3、機廢氣的微生物燃料電池，從而實現(xiàn)了有機廢氣處理和產(chǎn)電的目的。本文研究成果如下：
　　①提出并構(gòu)建了帶有蛇形和交指型陽極流場的兩種新型無膜MFC。研究發(fā)現(xiàn)，在0.5mL/min的培養(yǎng)基流速下，以100Ω電阻進行培養(yǎng)，蛇形流場無膜MFC性能要優(yōu)于交指型流場無膜MFC。蛇形無膜MFC的最大功率密度約高100mW/m2，而最大電流密度約高500mA/m2。實驗發(fā)現(xiàn)，交指型流場MFC陰極側(cè)電極表面被從陽極遷移過去的微生物所附著。從而使得交指

4、型流場無膜MFC陽極腔室側(cè)電極表面的生物膜厚度明顯大于蛇形流場無膜MFC。這將導致電池內(nèi)阻增大、陰極催化劑毒化，造成微生物燃料電池產(chǎn)電性能下降。
　　②無膜型MFC中間腔室厚度對電池性能影響較大。當中間腔室厚度為2cm時，電池性能最佳，中間腔室厚度越大，電池內(nèi)阻越大；而中間腔室厚度越小，陰極至陽極的氧氣滲透量增加，這都導致無膜MFC性能的下降。
　　③提出并構(gòu)建了能夠同時處理有機廢氣和廢水的新型無膜微生物燃料電池，且實驗驗證

5、了該MFC不僅可以有效降解揮發(fā)性有機廢氣，而且能夠產(chǎn)生電能。通過電池的啟動實驗證實了陽極生物膜生長對有機廢氣降解和產(chǎn)電的重要性。實驗表明，產(chǎn)電菌也可以生長在憎水表面，甲苯廢氣可以支持產(chǎn)電菌的生長。
　?、芸商幚碛袡C廢氣的無膜微生物燃料電池的性能實驗表明，電池于100Ω電阻啟動時其產(chǎn)電性能較差：其開路電壓約為280mV，最大功率密度約為0.55mW/m2，最大電流密度約為12.5mA/m2，當使用較大電阻5000Ω進行啟動時，電池開