基于陽(yáng)極生物膜分布調(diào)控的微流體微生物燃料電池傳輸機(jī)理及產(chǎn)電特性.pdf

1、微生物燃料電池（MFC）是一種利用細(xì)菌的代謝作用，高效處理污水中的有機(jī)物同時(shí)將其直接轉(zhuǎn)化為電能的綠色能源技術(shù)。近年來(lái)，MFC的體積逐漸縮小到微納級(jí)別，構(gòu)成了微流體微生物燃料電池（MMFC），其作為一種產(chǎn)電設(shè)備和在線分析檢測(cè)技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物分析以及微小電源技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，是微流體能源技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。
　　現(xiàn)階段的MMFC主要是對(duì)大型電池的按比例縮小，受到陽(yáng)極側(cè)生物膜分布有限、電池運(yùn)行成本高昂、電池內(nèi)阻大以

2、及單位成本下產(chǎn)電功率密度低等問(wèn)題的困擾；與此同時(shí)，電池中涉及到的流動(dòng)和傳輸現(xiàn)象并未得到深入研究，特別是在流動(dòng)條件下微小空間內(nèi)生物膜的成膜特性尚未闡釋清楚。
　　針對(duì)以上生物膜分布有限和電池功率低下的問(wèn)題，本文從工程熱物理學(xué)科中的流體力學(xué)和傳質(zhì)理論出發(fā)，立足于微流道內(nèi)陽(yáng)極生物膜的分布調(diào)控，對(duì)MMFC內(nèi)的傳輸機(jī)理和產(chǎn)電特性展開(kāi)研究。研究?jī)?nèi)容主要包括：
　?。?）構(gòu)建了具有單陽(yáng)極液入口的Y型MMFC，研究了陽(yáng)極液濃度、陰極液濃度、

3、反應(yīng)液流量等運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池性能的影響，并對(duì)陽(yáng)極側(cè)沿流動(dòng)方向的生物膜分布進(jìn)行了觀察；
　?。?）構(gòu)建了不同電池構(gòu)型的MMFC，從緩解擴(kuò)散混合區(qū)域影響的角度出發(fā)，構(gòu)建了具有漸擴(kuò)流道結(jié)構(gòu)的MMFC，從生物膜分布、陽(yáng)極側(cè)內(nèi)阻、電池產(chǎn)電性能等方面研究了改變流道結(jié)構(gòu)對(duì)電池性能的影響；從減薄陽(yáng)極側(cè)邊界層的角度出發(fā)，構(gòu)建了具有多陽(yáng)極液進(jìn)口的MMFC，與單陽(yáng)極液進(jìn)口電池的產(chǎn)電性能進(jìn)行了對(duì)比；通過(guò)控制旁路陽(yáng)極液進(jìn)口的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分析了增加陽(yáng)極進(jìn)口對(duì)電池產(chǎn)

4、電性能的作用機(jī)理；
　　（3）構(gòu)建了新型陽(yáng)極電極和空氣自呼吸式MMFC，基于產(chǎn)電菌附著強(qiáng)化思想，構(gòu)建了一種基于氮摻雜石墨烯氣凝膠的新型三維陽(yáng)極材料，分別從材料化學(xué)和生物化學(xué)的角度對(duì)電極進(jìn)行了表征，并從生物膜附著、陽(yáng)極電荷遷移和電池產(chǎn)電方面進(jìn)行了研究；基于流動(dòng)簡(jiǎn)化思想，構(gòu)建了一種單股流體控制下的空氣自呼吸式微流體MFC，研究了所合成催化劑的物理化學(xué)特性和電催化特性，并分別在連續(xù)流和序批條件下進(jìn)行電池性能測(cè)試。本文主要研究成果如下：<

5、br>　　1）構(gòu)建了一種基于石墨電極的Y型結(jié)構(gòu) MMFC，電池性能隨著陽(yáng)極入口燃料濃度和陽(yáng)極液體積流量的增加而呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)；在入口燃料濃度化學(xué)需氧量為1500 mg L-1，陽(yáng)極液流量為10 mL h-1時(shí)，輸出的最大面積功率密度為618±4 mW m-2；對(duì)陽(yáng)極側(cè)表面生物膜形貌的觀察發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)電菌形成的生物膜厚度沿流動(dòng)方向逐漸減薄，即：流體入口段的生物膜厚度要大于充分發(fā)展段的相應(yīng)厚度；
　　2）構(gòu)建了基于漸擴(kuò)、平行、漸縮

6、的三種微流道結(jié)構(gòu)的MMFC，漸擴(kuò)通道成功避免了擴(kuò)散混合區(qū)的影響，整體上擁有更致密的生物膜分布，同時(shí)基于漸擴(kuò)通道的MMFC在陽(yáng)極側(cè)電荷遷移阻力最低，其產(chǎn)生的最大面積功率密度為2447.7±38.9 mW m-2，是基于漸縮通道的MMFC的5.29倍（462.7±17.5 mW m-2）和基于平行通道的MMFC的1.24倍（1980.1±27.5 mW m-2）；
　　3）構(gòu)建了基于多陽(yáng)極液進(jìn)口的MMFC（MMFC-MI），生物膜在微

7、通道內(nèi)沿流動(dòng)方向整體呈致密分布，特別是在三個(gè)等間距分布的陽(yáng)極液入口處，生物膜的分布遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單進(jìn)口MMFC；電池在接種完成后旁路進(jìn)口關(guān)閉狀態(tài)下MMFC-MI的最大功率密度是打開(kāi)狀態(tài)下的85.6％，證實(shí)旁路進(jìn)口的主要作用體現(xiàn)在產(chǎn)電菌富集階段，而在接種完成后陽(yáng)極液強(qiáng)化傳輸?shù)淖饔孟鄬?duì)有限；
　　4）構(gòu)建了一種基于石墨烯氣凝膠（N-GA）的生物陽(yáng)極材料，其三維結(jié)構(gòu)和含氮官能團(tuán)有利于強(qiáng)化產(chǎn)電菌在電極內(nèi)外表面的附著；同時(shí)摻雜氮元素后降低了電子從

8、生物膜表面向電極表面的遷移阻力；基于N-GA生物陽(yáng)極的微型MFC所能達(dá)到的體積功率密度為225±12 W m-3（正比于腔室體積）和750±40 W m-3（正比于陽(yáng)極體積）；
　　5）構(gòu)建了一種單股流體控制下的空氣自呼吸式MMFC，同時(shí)合成了一種含有豐富官能團(tuán)的氮摻雜石墨烯氣凝膠-活性炭（AC@N-GA）氧還原（ORR）催化劑；該催化劑展現(xiàn)了優(yōu)良的ORR催化性能，電子轉(zhuǎn)移數(shù)達(dá)到3.92，H2O2產(chǎn)率只有4.5%，以AC@N-GA