微生物燃料電池陰極的功能拓展及機(jī)理分析.pdf

1、微生物燃料電池(Microbial Fuel Cell，MFC)是燃料電池中特殊的一類，它利用微生物作為反應(yīng)主體，將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。MFC的優(yōu)勢(shì)在于其處理環(huán)境廢棄物的同時(shí)并對(duì)其中蘊(yùn)涵的能源予以回收，從而起到凈化環(huán)境和生產(chǎn)清潔能源的雙重效果。單從產(chǎn)電的角度來看，短時(shí)期內(nèi)MFC無法超越傳統(tǒng)的燃料電池的電能輸出性能。因此研究者的目光不在僅僅局限于提高電池的產(chǎn)電性能，而如何進(jìn)一步拓寬MFC處理廢棄物的領(lǐng)域，尤其是如何有效利用陰極以提高M(jìn)

2、FC的整體功能性，從而使MFC的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步地拓展。
　　因此，本文以MFC技術(shù)為核心，結(jié)合電化學(xué)、微生物學(xué)和水文地質(zhì)學(xué)的多種研究方法，以目前常用的兩種典型MFC反應(yīng)系統(tǒng)作為研究對(duì)象，構(gòu)建了單室和雙室2種類型的矩形反應(yīng)槽，將MFC的陰極還原能力分別應(yīng)用于廢舊鋰電池正極材料LiCoO2的還原浸取和對(duì)受硝酸鹽污染地下水的原位修復(fù)，以提高目標(biāo)污染物的還原效果和MFC的產(chǎn)電性能為目標(biāo)，對(duì)影響MFC的陰極性能因素展開了研究，得出了以

3、下結(jié)論:
　　(1)構(gòu)建了以弱酸中LiCoO2作為化學(xué)陰極電子受體的矩形式雙室MFC，探討了MFC陰極浸取還原LiCoO2的可行性，并探討了MFC陰極浸取還原LiCoO2過程中陰極液pH、陰極液的離子強(qiáng)度、固液比、催化劑CuCl2等因素對(duì)MFC的產(chǎn)電性能與LiCoO2浸取效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:MFC化學(xué)陰極還原LiCoO2使得固相中Co(Ⅲ)被浸取還原為液相中Co(Ⅱ)是可行的，且MFC的浸取效果優(yōu)于單純?nèi)跛峤?，同時(shí)監(jiān)測(cè)到M

4、FC能夠持續(xù)地輸出電壓。陰極液pH值對(duì)MFC浸取LiCoO2的過程影響顯著，pH越低，MFC的產(chǎn)電性能和LiCoO2的浸取效果越明顯;隨著陰極液中KCl和催化劑CuCl2添加濃度的增加，MFC輸出電壓和浸取效率也越高，這是由于陰極液的離子強(qiáng)度增大，活化能減少的緣故;固液比S/L的增加，電池輸出電壓和LiCoO2浸取效率也增大，但是增加的幅度與固液比的增加幅度不成正比;最后對(duì)影響MFC陰極輸出電壓和Co(Ⅱ)浸取效果的因素分析討論得出陰極

5、液pH值是LiCoO2還原過程中重要影響因素。因此在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮pH對(duì)MFC電位和浸取效果的影響。
　　(2)構(gòu)建了矩形式單槽生物陰極MFC，模擬受硝酸鹽污染地下水的流動(dòng)條件，對(duì)MFC進(jìn)行補(bǔ)水、排水及淋浴實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)所需的水力學(xué)特征系數(shù)，即砂槽含水層的孔隙度0.222，持水度0.148以及滲透系數(shù)5.13m/d，說明建立的矩形式單槽MFC內(nèi)水流符合地下水流動(dòng)的特點(diǎn)。
　　(3)啟動(dòng)了矩形式單槽生物陰極MFC，

6、經(jīng)過4周期的循環(huán)，電池的輸出最大電壓穩(wěn)定在500mV左右，整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間大約需要300h。對(duì)MFC啟動(dòng)成功后運(yùn)行一段時(shí)間的陰極、陽(yáng)極與空白電極做掃描電鏡分析，陰極和陽(yáng)極附著的微生物形態(tài)不一樣，陰極碳布的纖維絲表面覆蓋了一層多孔狀結(jié)構(gòu)，細(xì)菌多附著在孔狀結(jié)構(gòu)上，陽(yáng)極碳布的表面生長(zhǎng)了大量的長(zhǎng)鏈狀微生物。然而對(duì)混菌系統(tǒng)的SEM觀察，僅可作為一種輔助手段驗(yàn)證宏觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　(4)在矩形式單槽生物陰極MFC穩(wěn)定運(yùn)行下，研究了影響MFC促進(jìn)

7、硝酸鹽還原的關(guān)鍵影響參數(shù)C/N、無機(jī)碳源NaHCO3以及水力停留時(shí)間HRT對(duì)MFC的產(chǎn)電性能和硝酸鹽降解效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:C/N和無機(jī)碳源NaHCO3的增加使得MFC的輸出電壓增加，降解率也增加，亞硝酸鹽和氨氮積累效果，有助于MFC電壓的輸出;兩種水力停留時(shí)間HRT2.0d和1.0d下，MFC的輸出電壓和硝酸鹽的降解不同，HRT小反而有利于電壓輸出和硝酸鹽的降解。
　　(5)研究了MFC反應(yīng)槽的水力梯度對(duì)MFC產(chǎn)電效果和硝

8、酸鹽降解效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水力梯度增大，MFC的最大輸出電壓增大，反應(yīng)槽的出口水樣中NO3--N濃度減小，NO3--N濃度也呈現(xiàn)出上層濃度大，下層濃度小，且按照水流的水平方向，前端濃度大，后端濃度小的時(shí)空分布。這說明水力梯度的改變影響了MFC產(chǎn)電性能和硝酸鹽的降解效果。這種模擬結(jié)果更能表達(dá)水力梯度變化時(shí)，地下水中硝酸鹽的遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律。
　　(6)采用循環(huán)伏安曲線法掃描分析了陰極、陽(yáng)極生物膜的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，掛膜的陽(yáng)