微小孔隙內(nèi)電化學(xué)活性生物膜成膜及pH分布特性.pdf

1、眾所周知，能源與環(huán)境問題是21世紀(jì)人類面臨的兩大難題，它們嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源被過度開采，日益趨近于枯竭，同時(shí)，環(huán)境問題尤其是水污染問題也日益嚴(yán)重。而目前傳統(tǒng)的污水處理工藝一直處于“高投入、零產(chǎn)出”的狀態(tài)。因此，為了保證人類的可持續(xù)發(fā)展，尋找一種新型的清潔能源與污水處理工藝勢在必行。在這種背景下，微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell，MFC）由于可以在處理污水的

2、同時(shí)產(chǎn)生電能受到了研究者們的廣泛關(guān)注。
　　目前，MFC低的功率輸出限制了其商業(yè)化應(yīng)用。在眾多 MFC性能影響的因素中，MFC的陽極性能是最重要的因素之一，尤其是微小孔隙內(nèi)的陽極生物膜特性。本文以2B鉛筆芯為三維陽極陣列基本單元構(gòu)建了不同微小孔隙結(jié)構(gòu)的三維陽極陣列，并針對陽極微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的底物和產(chǎn)物傳輸、生物膜成膜及pH分布特性進(jìn)行了研究。
　　本文主要研究成果如下：
　?。?）構(gòu)建了固定間距0.5mm而不同陣列大小的石

3、墨陽極陣列，研究其內(nèi)部pH分布和生物膜特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2×2陣列的石墨陽極與單根石墨陽極上富集的生物膜電化學(xué)特性基本相同，而當(dāng)石墨陽極陣列擴(kuò)大至6×6時(shí)，其中心區(qū)域pH值遠(yuǎn)低于外層電極區(qū)域。由于酸性pH環(huán)境會抑制電極表面生物膜的生長且降低其產(chǎn)電活性，因此6×6陣列的石墨陽極內(nèi)產(chǎn)電份額遠(yuǎn)小于其外層電極。
　　（2）構(gòu)建了固定框架為196mm2而不同間距大小的石墨陽極陣列，研究其內(nèi)部pH分布和生物膜特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)陽極內(nèi)部間

4、距大于3.4mm時(shí)，產(chǎn)物氫離子的傳遞對生物膜成膜影響較??；反之，當(dāng)間距小于3.4mm時(shí)，生物膜活性將受到氫離子擴(kuò)散速率的限制。而當(dāng)陽極間距減小為1.66mm時(shí)，其內(nèi)部pH的不均勻分布導(dǎo)致了石墨棒電極表面生物膜產(chǎn)電能力的巨大差異。
　?。?）構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)中最大固定陣列（10×10）石墨陽極，研究其內(nèi)部pH分布及生物膜特性。通過與上述研究對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極陣列中電極根數(shù)大于16根時(shí)，電極根數(shù)的增加對其產(chǎn)電提升效果較小。同時(shí)，隨著陽極內(nèi)部電