基于氧化還原電子中介體產(chǎn)電的MFC數(shù)值模擬及模型開(kāi)發(fā).pdf

1、MFC是近幾年在環(huán)境及能源領(lǐng)域高速發(fā)展的新型能源技術(shù),但當(dāng)前MFC研究方向主要集中在以下兩方面:1.提高M(jìn)FC內(nèi)產(chǎn)電微生物活性;2.探尋更高效的MFC構(gòu)型。而針對(duì)MFC機(jī)理及內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律研究較少,本論文以數(shù)值模擬的方法研究MFC運(yùn)行機(jī)理及內(nèi)部規(guī)律,通過(guò)數(shù)值模擬,闡釋MFC運(yùn)行機(jī)理,對(duì)提高M(jìn)FC產(chǎn)電效能提供模型支持。
　　模型以MFC中普遍存在的氧化還原電子中介體作為電子傳遞途徑,通過(guò)聯(lián)立微生物代謝計(jì)量學(xué)方程,物質(zhì)傳質(zhì)菲克擴(kuò)散方程,

2、微生物代謝速率方程,電化學(xué)過(guò)電位方程,全電路歐姆定律方程等,綜合模擬了MFC運(yùn)行過(guò)程中物質(zhì)傳質(zhì)、新陳代謝、能量轉(zhuǎn)移、電化學(xué)反應(yīng)及電能損失等因素,建立了一個(gè)合適的MFC數(shù)值模擬模型建立方法。
　　根據(jù)輸出電流隨運(yùn)行時(shí)間衰減狀態(tài),將不同外電阻條件下MFC運(yùn)行輸出電流變化規(guī)律分為三類,并通過(guò)比對(duì)有機(jī)底物濃度、電極表面氧化還原電子中介體形態(tài)隨時(shí)間改變情況,總結(jié)出造成MFC輸出電流變化的核心因素是氧化態(tài)電子中介體濃度改變不能彌補(bǔ)有機(jī)底物濃度

3、降低所導(dǎo)致的體系微生物活性總體下降。當(dāng)MFC內(nèi)產(chǎn)電微生物總體代謝活性下降并出現(xiàn)產(chǎn)電衰減時(shí),電極表面還原態(tài)電子中介體濃度會(huì)降至10-2mmol/L以下。這可以作為快速判斷MFC內(nèi)部氧化態(tài)電子中介體緩沖能力是否達(dá)到極限的快速判斷標(biāo)準(zhǔn)。
　　體系陽(yáng)極面積增大,雖然有助于提高M(jìn)FC產(chǎn)電能力,但單位面積產(chǎn)電微生物代謝活力卻下降,這可能導(dǎo)致產(chǎn)電微生物與非產(chǎn)電種群競(jìng)爭(zhēng)時(shí)處于不利地位。當(dāng)電子中介體分子變小,擴(kuò)散能力提高時(shí),體系產(chǎn)電能力得到了明顯提

4、高,這為尋找具有更優(yōu)產(chǎn)電性的電子中介體提供了模型支持。
　　電子中介體濃度和熱力學(xué)性質(zhì)也影響MFC體系的產(chǎn)電能力,體系總體電子中介體濃度增加,可供電極反應(yīng)的還原態(tài)電子中介體濃度增加,同時(shí)潛在的氧化態(tài)電子中介體緩沖能力也相應(yīng)提高。MFC系統(tǒng)隨電子中介體濃度增加,產(chǎn)電輸出能力得到提升,且輸出能力隨時(shí)間進(jìn)行更趨向于保持穩(wěn)定;在MFC體系中,電子中介體熱力學(xué)性質(zhì)可通過(guò)電極氧化還原標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)進(jìn)行表征,當(dāng)電子中介體熱力學(xué)推動(dòng)力增加時(shí),MFC體系