畢業(yè)論文-微生物燃料電池廉價填料型電極材料的研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　微生物燃料電池（Microbialfuelcell，MFC）能夠在處理污水的同時將污水中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種低能耗的水處理技術(shù)，近年來成為環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前制約 MFC 實(shí)際應(yīng)用的主要因素是成本過高和產(chǎn)電性能偏低。由于電極成本在 MFC 總成本中所占比例最大，同時電極性能也是決定 MFC 性能的關(guān)鍵，因此降低

2、電極成本和優(yōu)化電極性能對于 MFC 的實(shí)用化具有重要意義。本文以推進(jìn) MFC 實(shí)用化為目標(biāo)，篩選用于陽極和生物陰極的廉價填料型電極材料，通過電極材料特性和構(gòu)型的優(yōu)化提高其產(chǎn)電性能，并將其應(yīng)用于放大的 MFC 裝置。本研究選擇廉價的半焦和活性炭與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)蛛姌O材料進(jìn)行產(chǎn)電性能對比。用于陽極時，活性炭產(chǎn)電性能最好，半焦較差。導(dǎo)電性過低是限制半焦陽極性能的主要因素。并分析了不同陽極材料表面的產(chǎn)電微生物、產(chǎn)電過程、產(chǎn)電機(jī)理和產(chǎn)電能力的區(qū)別

3、。本文可為MFC陽極材料優(yōu)化、產(chǎn)電微生物的富集、MFC構(gòu)型改造等組合提供思路，其中著重討論的不同陽極材料對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能影響的相關(guān)內(nèi)容，可為篩選廉價、產(chǎn)電效率高的陽極材料，推動微生物燃料電池實(shí)用化提供參考。</p><p>　　關(guān)鍵詞：微生物燃料電池；產(chǎn)電微生物；陽極材料；產(chǎn)電性能；成本；大型化</p><p><b>　　Abstract</b></

4、p><p>　　Microbial fuel cell (MFC) is a low energy-consuming water treatment technology which can purify wastewater and simultaneouslyconvert its chemical energy.Inrecentyears, ithasbe comeonehottopicint the env

5、ironment field. The practical application of MFC shasbeen limited.</p><p>　　Due to high costsand lowyield sofpower generation.The electrode is the largest contribu. Tortotota lcost of MFC and the key compone

6、ntinde ciding the MFC performance. Thuselectrode costreduction and electrode performance optimization both have great. Significance onpractical application of MFC. To push forward the practical application of MFC, inthis

7、dissertation low costpackedelectrode materialsforanodeandbio-cathodewere selected,and the performance of electrode wasimprovedby optimizing electrode</p><p><b>　　Key words</b></p><p>

8、;　　Microbial fuel cell; Electrogenesis microorganism; Anode materials ; Electricity production performance；degression;practical</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b>

9、;</p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄1</b></p><p>　　第1章 緒 論2</p><p>　　1.1研究背景和意義2</p><p>　　1.2微生物燃料電池4</p><p>　　1.2.1基本原理和分

10、類4</p><p>　　1.2.2微生物燃料電池的關(guān)鍵問題6</p><p>　　1.2.3微生物燃料電池的發(fā)展方向9</p><p>　　1.3 電極材料及構(gòu)型10</p><p>　　1.3.1 MFC電極研究展望11</p><p>　　1.3.2成本降低12</p><p>

11、;　　1.4研究目的與內(nèi)容13</p><p>　　1.4.1研究目的13</p><p>　　1.4.2研究內(nèi)容13</p><p>　　第2章 實(shí)驗材料與方法16</p><p>　　2.1 MFC的實(shí)驗藥品和實(shí)驗儀器16</p><p>　　2.1.1實(shí)驗藥品16</p><p&g

12、t;　　2.1.2實(shí)驗儀器16</p><p>　　2.2 陽極材料篩選17</p><p>　　2.2.1產(chǎn)電性能17</p><p>　　2.2.2 經(jīng)濟(jì)性評價18</p><p>　　2.2.3微藻燃料電池的實(shí)用化研究19</p><p><b>　　結(jié) 論21</b><

13、/p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　致 謝24</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1研究背景和意義</p><p>　　21世紀(jì)是綠色的世紀(jì)，可持續(xù)發(fā)展的世紀(jì)，

14、然而隨著人類智力的提升，科學(xué)技術(shù)不斷的革新，環(huán)境問題成為嚴(yán)重制約人類社會發(fā)展的因素。生態(tài)，環(huán)境，能源等問題已經(jīng)被提上日程，但是重視力度仍然不夠，尚需各國持續(xù)不斷的共同努力。當(dāng)前，由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和布局不盡合理、污染防治水平較低、環(huán)境監(jiān)管制度尚不完善等原因，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展所帶來的水污染問題日益突出?！秶噎h(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》指出：“當(dāng)前，我國環(huán)境狀況總體惡化的趨勢尚未得到根本遏制，環(huán)境矛盾凸顯，壓力繼續(xù)加大。一些重點(diǎn)流

15、域、海域水污染嚴(yán)重，許多地區(qū)主要污染物排放量超過環(huán)境容量。同時，隨著人口總量持續(xù)增長，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)，能源消費(fèi)總量不斷上升，污染物產(chǎn)生量將繼續(xù)增加，經(jīng)濟(jì)增長的環(huán)境約束日趨強(qiáng)化?！睘榱烁纳扑h(huán)境，該規(guī)劃同時指出：“我國將在“十二五”期間加快縣城和重點(diǎn)建制鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)，到 2015 年，全國新增城鎮(zhèn)污水管網(wǎng)約 16 萬公里，新增污水日處理能力 4200 萬噸，城市污水處理率達(dá)到 85%?！痹诩哟笪鬯幚韽S和管網(wǎng)建設(shè)的同時，污水處

16、理廠的日常運(yùn)轉(zhuǎn)同樣面臨巨大的挑戰(zhàn)。首先，由于污水處理過程中需要消耗大量的電能，運(yùn)</p><p>　?。?）原料廣泛：可利用多種底物。</p><p>　?。?）條件溫和：安全可靠。</p><p>　?。?）環(huán)保無污染：唯一產(chǎn)物水。</p><p>　?。?）不需外輸能量：實(shí)現(xiàn)生物能到電能的轉(zhuǎn)換。</p><p>　

17、?。?）能量可實(shí)現(xiàn)循環(huán)。</p><p>　?。?）可用于污泥和污水的處理中，變廢為寶，節(jié)能減排</p><p>　　1.2微生物燃料電池</p><p>　　1.2.1基本原理和分類</p><p>　　眾所周知，微生物能夠降解有機(jī)物，伴隨物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過程，能量也發(fā)生變化。植物儲存在體內(nèi)的能量是太陽輻射的太陽能，我們把該過程稱做光合作用。微生

18、物將氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電子通過外電路傳遞到陰極上，該過程伴隨電流的產(chǎn)生，這樣的裝置稱為微生物燃料電池。電池顧名思義就是產(chǎn)生電能的裝置，微生物燃料電池自然是通過微生物是實(shí)現(xiàn)的。MFC 的結(jié)構(gòu)主要由陽極、陰極和分隔材料三部分組成（Loganetal., 2006），這在本質(zhì)上是化學(xué)上的氧化還原反應(yīng)。其工作原理如圖 1.2 所示</p><p>　　圖1.2MFC原理示意圖</p><p>　　

19、MFC 的陽極和陰極均由導(dǎo)電材料制成。陽極表面附著有微生物。陰極表面固定有化學(xué)催化劑或者附著有微生物。在外部，陰陽極分別通過導(dǎo)線連接至外部負(fù)載（如電阻）。在 MFC 內(nèi)部，分隔材料將 MFC 分為陽極室和陰極室。陽極室內(nèi)的有機(jī)物在微生物的作用下被氧化，變?yōu)闊o機(jī)碳，同時釋放出電子和質(zhì)子。電子通過外電路傳導(dǎo)至陰極。質(zhì)子被釋放到電解質(zhì)溶液中，并在電場作用下穿過分隔材料（如質(zhì)子膜、陽離子交換膜等）進(jìn)入陰極室。電子受體（如 O2、NO3-以及鐵氰

20、化鉀等）接受來自陰極的電子，并與溶液中的質(zhì)子結(jié)合，在化學(xué)化劑或者微生物的催化作用下被還原。陽極室為厭氧環(huán)境。陰極室環(huán)境根據(jù)陰極電子受體的不同可能為好氧或厭氧。分隔材料的作用是將有機(jī)物和氧氣分別保持在陽極室和陰極室中以提高 MFC 電子轉(zhuǎn)換效率，同時確保質(zhì)子的有效傳導(dǎo)。</p><p>　　根據(jù)陰極催化劑的類型，MFC 可以分為化學(xué)陰極 MFC 和生物陰極 MFC?；瘜W(xué)陰極 MFC 的陰極基材表面負(fù)載有化學(xué)催化劑（

21、如 Pt、四甲基卟啉鈷（CoTMPP）等）或者僅有電極基材本身（LiuandLogan, 2004, Zhangetal., 2009a, Zuoetal., 2007）。當(dāng)陰極以氧氣作為電子受體時，其表面通常負(fù)載有化學(xué)催化劑。以鐵氰化鉀等易被還原的物質(zhì)作為電子受體時，陰極無需催化劑。此外，對于比表面積較大的材料（如活性炭），無需負(fù)載催化劑也具有良好的氧氣還原性能。生物陰極表面需要附著自養(yǎng)微生物形成的生物膜（Clauwaertetal.

22、, 2007a, Clauwaertetal., 2007b）。電子受體（如 O2或 NO3-）在這些微生物的作用下被還原。當(dāng)以氧氣為電子受體時，陽極室內(nèi)為好氧環(huán)境；當(dāng)以 NO3為電子受體時，陰極室內(nèi)為缺氧環(huán)境，陰極在產(chǎn)電的同時能夠?qū)崿F(xiàn)反硝化。因此，生物陰極 MFC 在水處理方面具有一定優(yōu)勢。根據(jù)構(gòu)型不同，通常 MFC 又可分為兩室型和單室型，根據(jù)陰極和陽極有無微生物參與反應(yīng)電池可以分為生物陰極、生物陽極和生物雙極。微生物新陳代謝<

23、;/p><p><b>　　。</b></p><p><b>　??；</b></p><p>　　圖1.3兩室型和單室型MFC結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　兩室型 MFC 有陽極室和陰極室兩個腔室，中間由分隔材料分隔。這種構(gòu)型常見于生物陰極 MFC、以鐵氰化鉀為電子受體的化學(xué)陰極 MFC 或者以氧氣

24、作為電子受體的采用浸沒式陰極的 MFC。單室型只有一個陽極室，其陰極與分隔材料壓合在一起，因此又稱為“二合一”型。這種構(gòu)型常見于以氧氣為電子受體的化學(xué)陰極 MFC（通常稱為空氣陰極 MFC）。基于上述兩種構(gòu)型，研究者又根據(jù)研究需要對其進(jìn)行了變形，如兩瓶型 MFC、柱狀 MFC、堆疊型 MFC 電池組等（Logan etal., 2006）。</p><p>　　1.2.2微生物燃料電池的關(guān)鍵問題</p>

25、;<p>　　MFC 作為一種具有良好前景的新型水處理技術(shù)，最近 10 年經(jīng)歷了快速發(fā)展。但是，除了個別以實(shí)際污水作為處理對象的中試報道之外，絕大部分研究仍停留在實(shí)驗室水平。首先，從能量產(chǎn)出方面，MFC 的功率密度比常規(guī)的化學(xué)燃料電池低三個數(shù)量級（張培遠(yuǎn)，2011）。與相對較為成熟的厭氧產(chǎn)甲烷工藝相比，MFC的能量產(chǎn)出密度同樣有一定差距。因此，早期的 MFC 研究主要關(guān)注功率密度的提高。為此研究者開發(fā)了許多高性能同時也是高

26、成本的材料。但是，隨著 MFC 的發(fā)展，實(shí)用化的呼聲使研究者開始關(guān)注到成本問題。在相同的處理能力下，目前實(shí)驗室內(nèi)的 MFC 單位體積的裝置造價是常規(guī)水處理工藝的幾倍甚至幾十倍，其經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)低于實(shí)用化的要求。因此，功率密度低和成本高成為限制其發(fā)展的關(guān)鍵問題，也成為近 10 年研究者關(guān)注的熱點(diǎn)。</p><p><b>　?。?）功率密度低</b></p><p>　　根據(jù)

27、電池的一般原理，其最大輸出功率 Pmax由開路電壓 E 和內(nèi)阻 Ri決定：</p><p>　　當(dāng) MFC 陽極電子供體和陰極電子受體確定后，E 也就確定了因此功率密度低的原因在于內(nèi)阻較高。從內(nèi)阻產(chǎn)生機(jī)理的角度MFC 的內(nèi)阻可分為三個部分：歐姆內(nèi)阻、活化內(nèi)阻以及傳質(zhì)內(nèi)阻（Loganetal., 2006）。</p><p>　　歐姆內(nèi)阻由兩部分組成。一部分是電子在電極材料中傳遞的阻（Re）

28、。根據(jù)歐姆定律，Re與電極材料的電導(dǎo)率有關(guān)，也與電子在電極材料中傳遞的距離和傳遞通道的截面積有關(guān)。其中 Re與電導(dǎo)率和傳遞通道的截面積呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系，與傳遞距離呈正相關(guān)關(guān)系。第二部分是質(zhì)子在溶液中的傳遞及穿過分隔材料時所遇到的阻力（Ri）。它與溶液中電解質(zhì)的種類與濃度、質(zhì)子傳遞距離（電極間距）、傳遞通道的截面積（通常等于分隔材料的面積以及分隔材料的特性有關(guān)。Ri與溶液電導(dǎo)率和傳遞通道的截面積均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與質(zhì)子傳遞距離和分隔材料在溶液

29、中對離子的阻力呈正相關(guān)關(guān)系。歐姆內(nèi)阻在 MFC 運(yùn)行過程中不會隨電流的變化而變化。對于實(shí)驗室內(nèi)所采用的小型反應(yīng)器而言，由于電極尺寸小，而且陰極液和陽極液中添加了濃度較高的磷酸鹽緩沖體系，因而歐姆內(nèi)阻在總內(nèi)阻中的比重并不高。但是，在大型 MFC 中，歐姆內(nèi)阻在總內(nèi)阻中的比重將顯著提高。這一點(diǎn)將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)闡述?；罨瘍?nèi)阻的產(chǎn)生是由于在MFC產(chǎn)電過程中陽極氧化反應(yīng)和陰極還原反應(yīng)的發(fā)生會導(dǎo)致一定的能量損失（Logan，2007）。在數(shù)值上，

30、將產(chǎn)電過程中活化內(nèi)阻所導(dǎo)致的輸出電壓低于開路電壓的這部分電</p><p>　　微生物的生長環(huán)境同時受到電極表面特性和基質(zhì)的影響。當(dāng)處理對象（基質(zhì)）確定后，單位體積內(nèi)電極表面積的大小和電極的表面特性分別決定了產(chǎn)電微生物的附著面積和生物膜厚度，因而成為影響生物量的重要因素。對于化學(xué)陰極而言，其活化內(nèi)阻與催化劑的種類有關(guān)，目前已知 Pt 是性能較好的一種陰極催化劑但</p><p>　　由于其

31、價格較高，不宜大量應(yīng)用。</p><p>　　由于溶液在生物膜表面存在邊界層，因此傳質(zhì)內(nèi)阻主要由電極反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物在邊界層中的傳遞阻力引起。傳質(zhì)內(nèi)阻在基質(zhì)濃度高、電流較小的情況下并不明顯。在電流較大的情況下，傳質(zhì)內(nèi)阻可能會成為限制MFC性能的重要因素。</p><p><b>　?。?）成本高</b></p><p>　　近年來，研究者通過

32、優(yōu)化 MFC 構(gòu)型、使用高性能材料使其電性能有了顯著提高。但對于其成本的關(guān)注相對較少。傳統(tǒng)化學(xué)陰極 MFC 以貴金屬 Pt 作為陰極催化劑，雖然獲得較好的產(chǎn)電性能，但 Pt 高昂的成本使 MFC 的總體成本過高，無法大規(guī)模應(yīng)用。其中陰極成本占 MFC 總成本的 90%以上。為了降低陰極成本，研究者利用微生物（生物陰極）或廉價非 Pt 催化劑代替 Pt 來催化陰極還原反應(yīng)。但是，在陰極成本降低后，目前 MFC 的造價依然較高。據(jù)估算，同樣

33、去除 1kgCOD，空氣陰極 MFC 的裝置成本是常規(guī)厭氧產(chǎn)甲烷裝置的 40 倍（Rozendaletal., 2008）。在容積相同的情況下，筆者實(shí)驗室中所采用的不同類型的生物陰極 MFC 成本比常規(guī)的活性污泥法水處理裝置均高出至少 1 個數(shù)量級。因此，從實(shí)用化的角度來看，目前 MFC 成本過高的問題尤為突出。</p><p>　　MFC 的成本主要來源于電極材料、分隔材料以及集電材料三部分。其中電極材料的成本

34、占到了總成本的一半以（Rozendaletal., 2008）。由于電極材料本身要求具有良好的導(dǎo)電性、生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度以及化學(xué)穩(wěn)定性等多方面特性，因此其選材受到了較大的限制。滿足上述要求的材料通常成本較高，無法大規(guī)模應(yīng)用，成本較低的電極材料往往無法完全滿足以上要求，故需對其加以改性以提高其性能。對于分隔材料方面，價格昂貴的質(zhì)子交換膜已被離子交換膜所取代，成本下降，但由于使用量較大，其成本依然相當(dāng)可觀。此外，為了推進(jìn)其實(shí)用化，MFC

35、逐漸向大型化發(fā)展，具有良好耐腐蝕性金屬集電材料必不可少，這勢必進(jìn)一</p><p>　　步增加單位體積的 MFC 裝置造價。</p><p>　　1.2.3微生物燃料電池的發(fā)展方向</p><p>　　在 MFC 發(fā)展的初期，研究者主要關(guān)注對產(chǎn)電機(jī)理的探索及功率密度的提高。近年來隨著 MFC 技術(shù)逐漸向?qū)嵱没较虬l(fā)展，成本降低和裝置放大成為新的研究方向。此外，除產(chǎn)電

36、以外的各項新功能也不斷被研究者開發(fā)出來，同樣成為研究熱點(diǎn)之一。 </p><p>　　（1）提高功率密度 </p><p>　　從前面的分析可以看出，內(nèi)阻是影響 MFC 產(chǎn)電功率的重要影響因素，提高功率密度的核心在于降低內(nèi)阻。針對內(nèi)阻的三個組成部分（歐姆內(nèi)阻、活化內(nèi)阻、傳質(zhì)內(nèi)阻），研究者分別開展了一系列的研究工作。</p><p>　　為了降低離子傳遞的阻力，研究者

37、開發(fā)了“三合一”型 MFC 以便將電極間距降到最低（曹效鑫等, 2006）。降低電子傳遞阻力的主要途徑是使用導(dǎo)電率高的電極材料。由于碳材料的導(dǎo)電性通常遠(yuǎn)低于金屬材料的導(dǎo)電性，因此對于采用碳材料作為電極的大型 MFC，在電極中耦合金屬集電材料是降低電子在碳材料中的傳遞距離，從而降低歐姆內(nèi)阻的有效途徑。在未來 MFC 向大型化發(fā)展的過程中，如何將電極材料與集電材料進(jìn)行有效的耦合，從而降低大尺寸電極的整體電阻是未來研究工作的一項挑戰(zhàn)。<

38、/p><p><b>　　（2）降低成本</b></p><p>　　與提高產(chǎn)電功率相比，降低成本對于推進(jìn)MFC的實(shí)用化具有更為重要的意義。隨著 MFC 逐漸由實(shí)驗室小試走向?qū)嵱没?，越來越多的研究者在開發(fā)新材料的同時開始關(guān)注成本問題。低成本材料的開發(fā)主要集中在電極材料和分隔材料兩方面。</p><p>　　由于電極材料的成本在 MFC 成本組成中所

39、占的比重最大，因此開發(fā)廉價高效的電極材料成為降低 MFC 成本的關(guān)鍵。關(guān)于電極材料的研究進(jìn)展及未來發(fā)展趨勢將在“1.3 電極材料及構(gòu)型中做詳細(xì)闡述。</p><p>　　與電極材料相比，目前關(guān)于分隔材料的研究相對較少。針對空氣陰極 MFC，研究者開發(fā)出了價格低廉的且性能優(yōu)良的超濾膜和玻璃纖維織物（Zhangetal.,2009b, Zuoetal., 2007）。對于生物陰極 MFC 而言，目前離子交換膜被廣泛采

40、用，由于其用量較大，故有必要尋找更廉價的替代品。</p><p>　　從目前 MFC 的整體造價來看，生物陰極型 MFC 具有一定優(yōu)勢。但是從運(yùn)行成本、功率產(chǎn)出和水處理效果方面進(jìn)行綜合考慮，生物陰極型 MFC 與空氣陰極型MFC 各具優(yōu)勢。生物陰極型 MFC 不僅可以利用陰極實(shí)現(xiàn)脫氮功能，而且可以利用好氧生物陰極對陽極出水中的 COD 進(jìn)一步降解，提高出水水質(zhì)?？諝怅帢O型MFC 的優(yōu)勢在于不需要主動曝氣，同時產(chǎn)電

41、功率密度更高。</p><p><b>　?。?）體積有效放大</b></p><p>　　目前 MFC 的研究還主要停留在實(shí)驗室階段，實(shí)驗室內(nèi) MFC 小試裝置體積范圍從微升到升，大多集中在幾十毫升到幾百毫升，反應(yīng)器體積超過 1L 即視為大型反應(yīng)器。目前全世界只有澳大利亞昆士蘭大學(xué)和美國賓州州立大學(xué)分別建成了MFC 產(chǎn)電和 MEC 產(chǎn)氫的中試裝置，但其性能及長期運(yùn)行

42、穩(wěn)定性未見報道。</p><p>　　要實(shí)現(xiàn) MFC 的工程化應(yīng)用，必須對 MFC 裝置進(jìn)行有效放大。所謂有效放大，即產(chǎn)電功率密度和庫侖效率等指標(biāo)不能隨 MFC 體積的增大而顯著降低其關(guān)鍵在于：①將電極材料與高電導(dǎo)率的集電材料進(jìn)行有效耦合，減小電極產(chǎn)生的歐姆阻力。因此，放大過程中腔體構(gòu)型和電極的設(shè)計成為未來 MFC 研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)；②保證腔體內(nèi)流態(tài)均勻，避免死區(qū)出現(xiàn)，確保電極表面微觀上的傳質(zhì)效果。此外，大型 MF

43、C 長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和電能的收集利用方式也開始被研究者所關(guān)注。</p><p>　　1.3 電極材料及構(gòu)型</p><p>　　如前所述，電極是 MFC 中決定其性能和成本的最為關(guān)鍵部分。為了提高M(jìn)FC 的產(chǎn)電性能、降低成本，研究者開發(fā)了大量新材料和新構(gòu)型。從 MFC 的結(jié)構(gòu)或電極反應(yīng)上區(qū)分MFC 的電極分為陽極和陰極。而根據(jù) MFC 電極反應(yīng)是否</p><p>

44、　　需要微生物的參與，MFC 的電極又可以分為生物電極（包括陽極和生物陰極）和化學(xué)電極（包括空氣陰極和以鐵氰化鉀為電子受體的陰極等）。</p><p>　　電極不僅是微生物和化學(xué)催化劑的載體，還是電子傳遞的導(dǎo)體。因此電極材料需要具有良好的導(dǎo)電性、電化學(xué)穩(wěn)定性、較高的機(jī)械強(qiáng)度以及低廉的成本。目前碳材料和金屬材料是應(yīng)用最為廣泛的電極材料，如圖 1.4 所示。對于生物電極而言，除了以上特性外，電極材料表面還需要對產(chǎn)電微

45、生物具有良好的相容性，以利于微生物的附著生長和電子傳遞、</p><p>　　1.3.1 MFC電極研究展望</p><p>　　電極是 MFC 中影響性能和成本的核心組件，為了實(shí)現(xiàn) MFC 體積有效放大及滿足未來大規(guī)模工程應(yīng)用的要求，需要對其從降低成本、材料特性優(yōu)化和構(gòu)型優(yōu)化三個發(fā)面開展研究。</p><p><b>　　1.3.2成本降低</b&

46、gt;</p><p>　　對于目前實(shí)驗室內(nèi)的小型 MFC，由于電極的成本占據(jù)了 MFC 成本的一半以上，因此降低電極的造價就成為降低 MFC 整體成本的關(guān)鍵。生物陰極型 MFC 由于其所采用的電極成本相對較低，因而從實(shí)用化角度具有良好的應(yīng)用前景。</p><p>　　降低成本首先需要篩選廉價高效的電極材料。立體構(gòu)型的電極是未來的發(fā)展方向。其中填料型電極由于選材范圍廣而具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

47、如活性炭等價格低廉的水處理碳材料有望在 MFC 中大規(guī)模應(yīng)用。此外，在大型 MFC 中，集電材料同樣不可或缺。導(dǎo)電性良好且耐腐蝕的金屬材料是集電材料的首選。對于不銹鋼等廉價金屬材料的集電效果，還有待于研究者進(jìn)一步測試。</p><p>　　需要注意的是，降低成本的同時還要兼顧其性能。此外，在電極的開發(fā)過程中，可以在不降低電極性能的前提下，通過工藝及構(gòu)型優(yōu)化來減少電極材料的用量，同樣可以提高電極的性價比。</

48、p><p>　　表 1.11 列出了 MFC 常用電極材料的國內(nèi)價格。由于我國的碳材料及金屬材料來源廣泛，規(guī)格眾多，因此部分材料較之國外有明顯的價格優(yōu)勢，但是將其應(yīng)用于 MFC 中的性能及壽命不得而知。因此，篩選出最具性價比的電極材料是目前研究工作的當(dāng)務(wù)之急。</p><p>　　通過廉價材料的篩選可以降低 MFC 的電極造價。但成本降低的同時通常也會帶來性能的下降。對于實(shí)際應(yīng)用的大型 MFC

49、 而言，在電極構(gòu)型和處理對象（如某種污水）確定的情況下，電極的特性就成了決定產(chǎn)電菌整體活性的關(guān)鍵因素。因而材料特性的優(yōu)化是提高 MFC 產(chǎn)電性能的有效途徑。</p><p>　　表1.11MFC常用電極材料的國內(nèi)價格</p><p>　　1.4研究目的與內(nèi)容</p><p><b>　　1.4.1研究目的</b></p><

50、;p>　　篩選用于生物陰極型微生物燃料電池填料型電極的廉價材料，通過材料特性優(yōu)化和電極構(gòu)型優(yōu)化提高其產(chǎn)電性能，并將其應(yīng)用于放大的微生物燃料電池，為進(jìn)一步開展實(shí)用化研究奠定基礎(chǔ)。</p><p><b>　　1.4.2研究內(nèi)容</b></p><p>　　本研究主要開展以下研究工作：</p><p>　　（1）廉價填料型電極材料的篩選<

51、;/p><p>　　以提高生物陰極 MFC 填料型電極的性價比為出發(fā)點(diǎn)，選取廉價的半焦和活性炭材料與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)址謩e作為陽極和生物陰極，進(jìn)行產(chǎn)電性能對比，并且通過對材料的物理特性、電極表面的生物量以及微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，解析電極材料產(chǎn)電性能差異的原因。最后對候選材料進(jìn)行簡單的經(jīng)濟(jì)性評價。</p><p>　?。?）填料型電極在生物陰極型 MFC 中的應(yīng)用</p><

52、p>　　搭建規(guī)模放大的具有好氧/缺氧兩段式生物陰極的 MFC，以實(shí)現(xiàn)脫氮、除碳和產(chǎn)電的一體化。將優(yōu)化后的電極材料及構(gòu)型應(yīng)用于該系統(tǒng)，并考察產(chǎn)電和水處理性能。</p><p>　　1.4.3技術(shù)路線圖</p><p>　　基于推進(jìn) MFC 實(shí)用化這一研究目標(biāo)，本論文分為篩選、優(yōu)化和應(yīng)用三部分，見圖 1.5。首先從價格和性能角度綜合考慮，篩選出性價比較高的填料型陽極材料和生物陰極材料。然

53、后利用材料改性和電勢調(diào)控手段優(yōu)化電極特性，從而提高產(chǎn)電性能，并在此基礎(chǔ)上通過電極構(gòu)型的整體優(yōu)化進(jìn)一步提高其產(chǎn)電性能。最終將其應(yīng)用于放大的 MFC 裝置中。開發(fā)廉價、高效的電極材料是推進(jìn) MFC 實(shí)用化的關(guān)鍵。在微生物燃料電池（MFC）系統(tǒng)中，陰陽極的電極材料是影響產(chǎn)電性能及成本的核心要素之一。本課題介紹了MFC中陽極材料的相關(guān)研究進(jìn)展，以微藻低成本高性能為評價指標(biāo)，比較了碳紙、石墨和碳?xì)?種陽極材料的產(chǎn)電性能，并分析了不同陽極材料表面的

54、產(chǎn)電微生物、產(chǎn)電過程、產(chǎn)電機(jī)理和產(chǎn)電能力的區(qū)別。本文可為MFC陽極材料優(yōu)化、產(chǎn)電微生物的富集、MFC構(gòu)型改造等組合提供思路，其中著重討論的不同陽極材料對微生物燃料電池的產(chǎn)電性能影響的相關(guān)內(nèi)容，可為篩選廉價、產(chǎn)電效率高的陽極材料，推動微生物燃料電池實(shí)用化提供參考</p><p>　　圖1.5 技術(shù)路線圖</p><p>　　第2章 實(shí)驗材料與方法</p><p>　　

55、2.1 MFC的實(shí)驗藥品和實(shí)驗儀器</p><p><b>　　2.1.1實(shí)驗藥品</b></p><p>　　實(shí)驗用藥品如表2-1所示。</p><p><b>　　表2- 1實(shí)驗藥品</b></p><p><b>　　2.1.2實(shí)驗儀器</b></p>&l

56、t;p>　　實(shí)驗用儀器如表2-2所示。</p><p><b>　　表2- 2實(shí)驗儀器</b></p><p>　　2.2 陽極材料篩選</p><p><b>　　2.2.1產(chǎn)電性能</b></p><p>　　四種材料用于陽極時，功率密度和電極電勢隨電流密度的變化如圖 2.4 所示。<

57、;/p><p>　　圖2.4采用不同陽極材料時MFC功率密度（A）和電極電勢（B）</p><p>　　從圖 2.4A 可以看出，采用四種陽極材料的 MFC 的最大功率密度由高到低的順序依次為：活性炭（31.5W/m3）>碳?xì)郑?7.9W/m3）>石墨（26.1W/m3）>半焦（23.8W/m3）?；钚蕴康淖畲蠊β拭芏缺忍?xì)趾褪謩e高出 13%和 21%。從圖2.4B 可以

58、看出，4 個 MFC 的陰極電勢和陽極電勢在開路狀態(tài)下差別不大。隨著電流密度的增大，不同的 MFC 之間的陰極電勢差別不大，而陽極電勢差異明顯。因此，MFC 的功率密度差異主要是由陽極的內(nèi)阻不同所導(dǎo)致的。</p><p>　　2.2.2 經(jīng)濟(jì)性評價</p><p>　　在不考慮電極使用壽命的前提下，為了對電極材料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行粗略評價，將 1m3體積的電極材料成本除以最大功率密度，得到 MF

59、C 輸出 1W 時的電極材料成本。采用四種陽極材料的 MFC 輸出 1W 的陽極成本見表 2.6。</p><p>　　表2.6MFC輸出1W的陽極成本 </p><p>　　可以看出，半焦陽極的成本最低，輸出 1 W 電能的電極成本分別僅為 15 元。遠(yuǎn)低于其它材料。但是，半焦作為陽極時的性能較差，若要進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，仍需進(jìn)行性能優(yōu)化。</p><p>　　本章以填

60、料型電極材料作為研究對象，選取了較為廉價的半焦和活性炭與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)诌M(jìn)行對比，得到如下結(jié)果：</p><p>　　（1）作為陽極材料時，活性炭的最大功率密度比碳?xì)趾褪謩e高出 13%21%，半焦的性能最差。作為生物陰極材料時，活性炭的產(chǎn)電性能最好，半焦次之。半焦作為陽極材料和陰極材料時輸出 1 W 電能的電極成本分別為 10 元和 15 元。其性價比遠(yuǎn)高于其它材料。</p><p>

61、　?。?）對于陽極材料，生物量與功率密度呈正相關(guān)關(guān)系，比表面積較大的活性炭最有利于產(chǎn)電菌附著生長。半焦的電阻率過高，從而導(dǎo)致其作為陽極材料時的產(chǎn)電性能較差。生物陰極性能同時受生物催化和化學(xué)催化性能的影響?；钚蕴筷帢O表面生物量最高。比表面積大的活性炭和半焦具有較好的陰極化學(xué)催化性能。</p><p>　　2.2.3微藻燃料電池的實(shí)用化研究</p><p>　　在電極構(gòu)型優(yōu)化的基礎(chǔ)上，將活性焦

62、電極應(yīng)用于放大的生物陰極型 MFC 裝置，旨在考察該電極材料在大體積 MFC 中的</p><p>　　性能及穩(wěn)定性，同時對好氧/缺氧兩段式生物陰極 MFC 同步產(chǎn)電、脫氮、除碳工藝進(jìn)行了探索。研究得到如下結(jié)果：</p><p>　　（1）好氧/缺氧兩段式生物陰極 MFC 在各腔室內(nèi)基質(zhì)單獨(dú)循環(huán)的間歇運(yùn)行方式下，經(jīng)過 40 d 左右實(shí)現(xiàn)啟動。基于陽極凈水體積計算的最大功率密度可以達(dá)到43.

63、1W/m3，高于本課題以往研究報道的 10L 體積的分體式生物陰極脫氮 MFC 的最大功率密度，實(shí)現(xiàn)了 MFC 裝置體積的有效放大。</p><p>　　延長（2）在“陽極-好氧陰極-缺氧陰極”的推流式處理流程下，該 MFC 可以在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)同步產(chǎn)電、脫氮和除碳。在水力停留時間為 6h 時，最大功率密度38.2W/m3。隨著停留時間的，功率密度逐漸降低，COD、氨氮和總氮的去除率逐漸上升。水力停留時間為 1

64、8h 時，COD、氨氮和總氮去除率分別達(dá)到 97.5%、97.2%和 84.5%。</p><p>　?。?）該 MFC 在間歇和連續(xù)運(yùn)行方式下分別可以穩(wěn)定運(yùn)行 20 d 以上。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　針對目前 MFC 實(shí)用化過程中電極成本高、產(chǎn)電性能低的問題，本論文篩選出可應(yīng)用于填料型電極的廉價材料

65、半焦，并利用材料改性和電勢調(diào)控手段提高了其產(chǎn)電性能，最后將其應(yīng)用于放大的 MFC 裝置中。本研究得到以下主要結(jié)論。</p><p>　　（1）以提高填料型電極的性價比為目標(biāo)，篩選出可用于陽極和生物陰極的廉價電極材料半焦。</p><p>　　選取了較為廉價的半焦和活性炭與傳統(tǒng)的石墨和碳?xì)肿鳛殛枠O和生物陰極電極材料進(jìn)行了性能對比。四種材料作為陽極材料時性能對比的結(jié)果表明，活性炭的性能優(yōu)于碳?xì)?/p>

66、和石墨，半焦的性能較差。比表面積較大的活性炭最有利于產(chǎn)電菌附著生長。電極材料表面的 Geobacter 的含量與產(chǎn)電功率存在一定的正相關(guān)性。半焦的電阻率過大是其性能較差的主要原因。</p><p>　　四種材料用作生物陰極材料時，活性炭的產(chǎn)電性能最好，半焦次之，碳?xì)趾褪^差。比表面積較大的材料不僅有利于產(chǎn)電微生物的附著生長，同時具有較好的陰極化學(xué)催化性能。</p><p>　?。?）利用

67、活化改性提高了半焦電極的產(chǎn)電性能，并研究了電勢調(diào)控手段提高陽極產(chǎn)電的機(jī)理，從能量角度對電勢調(diào)控的作用機(jī)制進(jìn)行了解析。</p><p>　?。?）通過對活性焦填料型電極的構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，使 MFC 的整體性能達(dá)到最優(yōu)。</p><p>　　針對活性焦陽極相對于陰極性能較差的問題，考察了陽極厚度對啟動的影響及集電金屬網(wǎng)位置對不同厚度陽極性能的影響。對于以活性焦作為填料的不同厚度的電極，采用單片金

68、屬網(wǎng)集電時，均可在大外阻下實(shí)現(xiàn)啟動。但是在最大功率輸出狀態(tài)下，單片金屬網(wǎng)無法將厚度大于 2cm 的電極內(nèi)的電子有效導(dǎo)出。通過</p><p>　　多層金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)集電方式，可以有效地在大電流下將電子導(dǎo)出，提高產(chǎn)電性能。當(dāng)陰極厚度為 2cm 時，活性焦陽極的最佳厚度為 4cm，此時基于 MFC 總體積計算的最大功率輸出密度達(dá)最大。</p><p>　?。?）以活性焦作為電極材料，搭建了容

69、積 50L 的好氧/缺氧兩段式生物陰極MFC 裝置，實(shí)現(xiàn)了脫氮、除碳和產(chǎn)電一體化及裝置的有效放大。</p><p>　　通過將生物陰極分割為以氧氣為電子受體的好氧陰極部分和以硝酸鹽為電子受體的缺氧陰極部分，可以分別實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化過程。污水在依次經(jīng)過陽極、好氧陰極和缺氧陰極的過程后，同時實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)電、有機(jī)物的去除和硝化-反硝化脫氮。利用上述工藝搭建了容積為 50L 的 MFC 裝置，并將活性焦應(yīng)用于陽極和生物陰極。

70、該 MFC 的最大功率密度為 43.5W/m3，高于本課題以往研究報道的以碳?xì)譃殡姌O材料、體積為 10L 的生物陰極 MFC，實(shí)現(xiàn)了MFC裝置體積的有效放大。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王黎,姜彬慧.環(huán)境生物燃料電池理論技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京, 科學(xué)出版社, 2010, 252-280.</p><

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80、lt;p><b>　　致 謝</b></p><p>　　衷心感謝我的老師鄭勝教授在我的論文選題、研究方案制定、成果總結(jié)以及論文寫作過程中的嚴(yán)格要求和悉心指導(dǎo)，老師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敬業(yè)的工作作風(fēng)、獨(dú)特的人格魅力，始終感染著我、激勵著我，這些都將成為寶貴的財富讓我終生受益。畢業(yè)論文暫告收尾，這也意味著我在大學(xué)學(xué)習(xí)生活既將結(jié)束。回首既往，自己一生最寶貴的時光能于這樣的校園之中

81、，能在眾多學(xué)富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實(shí)是榮幸之極。在這三年的時間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺。這除了自身努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。論文的寫作是枯燥艱辛而又富有挑戰(zhàn)的。老師的諄諄誘導(dǎo)、同學(xué)的出謀劃策及家長的支持鼓勵，是我堅持完成論文的動力源泉。在此，我特別要感謝我的老師鄭勝老師。從內(nèi)容到格式，從標(biāo)題到標(biāo)點(diǎn)，他都費(fèi)盡心血。沒有鄭老師的辛勤栽培、孜孜教誨，就沒有我論文的順利完成。</p

82、><p>　　通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《微藻燃料電池的低成本化與實(shí)用化研究》終于完成了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。</p><p>　　您好，為你提供優(yōu)秀的畢業(yè)論文參考資料，請您刪除以下內(nèi)容，O(∩_∩)O謝謝?。。 national survey&#

83、160;was recently launched to evaluate the eye health of Chinese children andteenagers.On June 6, China's annual National Day f

84、or Eye Care, the China Youth Development ServiceCenter and Zhejiang Medicine, a leading listed Chinese pharmaceutical company, jointlya

85、nnounced the kickoff of the survey.In about one month, a questionnaire compiled by top eye care medical experts in China