微生物燃料電池擴大化及實用化關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial fuel cell，MFC）是一種以微生物為催化劑將儲存在廢水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的新型廢水處理技術(shù)，對于緩解當(dāng)前能源危機和水環(huán)境污染有重要意義。目前，MFC相關(guān)研究尚處于實驗階段，制約該技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用的主要問題是缺乏MFC放大技術(shù)、低產(chǎn)電功率和高制造成本。本文針對這些問題，以獲得MFC擴大化關(guān)鍵技術(shù)為目的，開展了適合放大MFC的電極材料和電極制備工藝、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、堆棧放大技術(shù)和電池快速啟

2、動技術(shù)的研究；同時，兼顧 MFC產(chǎn)電和廢水處理，研究了 MFC與其它廢水處理技術(shù)組合的組合廢水處理技術(shù)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過優(yōu)化泡沫鎳陰極制備工藝，獲得了可規(guī)?；a(chǎn)的高耐水壓、高性能大陰極制備技術(shù)，當(dāng)陰極面積從200 cm2放大至2400 cm2時，電極性能僅下降8.7％?；诋a(chǎn)電效益的評價，發(fā)現(xiàn)碳刷為最適合擴大化MFC的陽極材料。以大尺寸MFC研究了陰陽極面積比對MFC產(chǎn)電功率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極面積與陽極面積比值為

3、0.3~0.8時，MFC輸出功率達到80 W/m3左右；而當(dāng)陰陽極面積比為1~3時， MFC輸出功率只有30 W/m3左右。⑵改變陰極空氣腔體結(jié)構(gòu)和供給方式，構(gòu)建了曝氣型和非曝氣型多電極堆棧放大電池以及多電池堆棧放大電池，研究了陰極腔體空氣供給速率對MFC產(chǎn)電性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)曝氣型堆棧電池的最大輸出功率比非曝氣型電池高29.2%，但由于曝氣消耗的電能大于MFC回收的電能，因此，從能量回收的角度，非曝氣型堆棧電池優(yōu)于曝氣型堆棧電池。而

4、以多單元電池堆棧的放大電池其功率密度達到69.4 W/m3左右，是多電極堆棧電池的5.4倍，且構(gòu)造成本比非曝氣型多電極堆棧電池降低58%。確定了以多單元電池堆棧的放大電池是MFC擴大化的最佳方式。⑶針對緊湊式MFC產(chǎn)電啟動慢的問題，首次提出了以循環(huán)伏安法（CV）促進MFC啟動的思路，發(fā)現(xiàn)在合適的掃描電位范圍內(nèi)，正電位促進產(chǎn)電微生物在電極表面吸附，而負(fù)電位促進產(chǎn)電微生物的生長，從而加速了MFC的啟動。與常規(guī)電阻法啟動相比，CV法的啟動時間

5、降低了71%（從420h縮短至120h），最大功率密度增加了22%（從31.1 W/m3增加至37.8 W/m3）。針對MFC內(nèi)建立硝化系統(tǒng)慢的問題，開發(fā)了先形成產(chǎn)電生物膜，其后在產(chǎn)電生物膜上形成硝化生物膜的新技術(shù)，新技術(shù)僅需16天完成硝化系統(tǒng)的建立，比一步接種法縮短啟動時間58%。當(dāng)運行屠宰廢水時， MFC的氨氮去除率為94±1.3%，產(chǎn)電功率達到53.3 W/m3。⑷開發(fā)出1m3中試MFC，采用化妝品生產(chǎn)廢水進行了中試試驗。MFC處