堆叠型微生物燃料电池的放大试验研究

　　堆叠型微生物燃料电池的放大试验研究第1章绪论1.1研究背景和意义随着城市经济实力的不断增强和人民生活水平的稳步提高，人们对能源的需求日益增加，传统的矿物燃料在多年来不断的开采中已难以达到人们的需求水平，新型能源的开发和利用迫在眉睫。与此同时，在我国工业化发展过程中，产业结构和布局不合理，过度注重工业发展，导致伴随的环境污染问题愈加突出，此外在污染防治和环境监管等方面也不够完善，因此包含水污染在内的环境问题日益严重。虽然在污水治理方面已投入巨大的人力与物力，大中型城市中的污水处理技术已经发展的比较成熟，污水处理率也达到了较高的水平，但常规的传统污水处理工艺有着运行成本以及能耗高等缺陷，许多污水厂因此常常因经费不足，陷入建得起而运行不起的局面。因此，若能够将污水资源能源化，开发一种能够高效回收污水中能源的新型污水处理技术，对于缓解能源危机以及改善环境问题都有着重要意义。污水资源能源化的理论依据就在于污水中的大量有机污染物含有可以利用的化学能。根据研究人员对污泥中热值的计算，COD中含有的能量约为14.7kJ/g[1]。污水处理中的常规好氧生物处理过程中，不仅需要消耗大量的能量来降解有机物，还要对所产生污泥进行处置，无疑又加重了运行费用，同时污泥中的大量能量也难以被回收利用。对于产甲烷的厌氧生物处理工艺而言，其污泥产率相对较低，但该工艺也存在诸多缺陷：不宜处理低浓度污水，出水水质相对较差，甲烷的利用也难以完全利用。因此，如何高效地回收污水中的资源，已成为当前能源和环境领域的热点研究方向。1.2微生物燃料电池简介英国植物学家Potter于1911年首次发现了微生物的培养液中的电流，于是他利用酵母和大肠杆菌进行试验，采用铂做电极，成功制作出第一个微生物燃料电池[2]。到了20世纪60年代，MFC开始被人们所关注，但因为对产电微生物的认识有限，其对电子介体的依赖性限制了该技术的发展。到了本世纪初，例如SheL，內截面直径3cm，厚3cm）和放大MFC（L-MFC，单个腔体体积12L，內截面为30cm80cm矩形，厚5cm）。两种MFC均可堆叠，结构示意如图2.1所示。填充颗粒活性炭（粒径1.5～2.5 mm，伟业活性炭厂，河南温县）作为阳极材料。钛网面积为腔体截面积，在S-MFC中，钛网紧贴于腔体两侧，而在L-MFC中，钛网置于活性炭电极之中，间隔4cm，阴阳极间的分隔材料采用阳离子交换膜（CEM-DF-120，天维膜技术有限公司，中国）。2.1.2反应器的启动运行L-MFC采用间歇运行的方式，阳极液以及阴极液均用蠕动泵（gCl26H2O（0.1g/L）。阴极基质的配制将阳极基质中的NaAc换成NaHCO3（1.92g/L），其他成分保持不变即可。反应器在室温（20～25℃）下运行，外阻固定在100Ω下启动，启动过程中每3d更换一次基质，待输出电压达到最大并重复稳定3个周期即完成启动运行。.2.2试验结果与讨论钛作为导电材料，导电性虽然不及铜银铝铁等金属，但因其在酸碱中良好的耐腐蚀性及稳定性，以及优良的生物相容性，是MFC的金属集电材料中很好的选择。由于钛暴露于空气中，在其表面很快就形成一层氧化物薄膜，可能对其导电性产生影响，通过测定普通钛丝的电阻率并与纯钛的电阻率进行对比。选用丝径0.3mm20目的钛网，分别截取长度为0.2～0.7m的钛丝，用万用表测其电阻，测量三次取其平均值，结果图2.3所示。线性拟合所得截距即钛丝与万用表笔接触电阻为0.17Ω，斜率即单位长度的钛丝传导电阻为10.26Ω/m。选取钛网作为集电材料，比较分析了不同规格钛网与电极（颗粒活性炭）的接触电阻，同时测试了L-MFC不同集电方式下的产电性能以及各部分的欧姆阻力，小结如下：（1）钛网表面的氧化膜对其导电性有一定影响，0.3mm20目的钛网比相同规格的纯钛导电性下降42.4%。（2）钛网集电时其目数和丝径大小共同影响其接触面积，从而决定接触电阻。以投影面积计，0.45mm20目的钛网最小，因而其接触电阻最小。0.7mm10目、0.45mm20目和0.3mm20目的钛网与活性炭接触的欧姆阻力分别为4.0Ω、0.6Ω和2.0Ω。..第3章填料电极微生物燃料电池内部流态分析.........203.1试验装置和材料.....203.2示踪剂试验.....213.3试验结果与讨论....233.4本章小结.........29 第4章堆叠型填料电极微生物燃料电池的放大研究........304.1试验材料与方法....304.1.1试验装置和材料....304.1.2反应器的启动运行.......314.1.3分析方法.........334.2试验结果与讨论....344.3本章小结.........47第5章结论与展望........495.1结论..........495.2展望..........51第4章堆叠型填料电极微生物燃料电池的放大研究实用化是今后MFC发展的必然趋势，最大输出功率密度是考察MFC反应器产电性能的重要指标，如何避免功率密度随装置体积的的增大而逐渐降低，是装置放大过程中要解决的重要问题。本研究采用的MFC放大方式为单体尺寸的放大以及多个腔体的堆叠，构建了堆叠型L-MFC反应器（单个腔体容积12L，总共6个腔体净容积72L)。此构型增加了单位体积反应器的离子交换膜面积，同时提高了离子膜的利用率。采用比表面积大，内阻小的颗粒活性炭作为填料型电极，以及耐腐蚀，导电性良好的钛网作为集电材料。为了考察堆叠型L-MFC在实际运行过程中的各项性能，本章从以下几个方面进行研究：考察了循环间歇流模式下不同供电方式下MFC的产电性能；发现了堆叠型填料电极MFC在并联供电时出现的反极现象；比较了不同COD浓度下MFC并联供电和五电阻单独供电时的产能差异以及连续流模式下这两种供电方式的库仑效率和COD去除负荷；分析了填料电极MFC在长期稳定运行中出现的电极堵塞现象。..结论本课题的目标是构建堆叠型填料电极微生物燃料电池的放大装置，研究其产电和污水处理性能及影响因素。基于该研究目标，本论文首先进行了填料电极微生物燃料电池的欧姆阻力分析，即比较不同规格钛网的导电性，选取欧姆阻力最小的钛网作为集电体，考察不同集电方式下L-MFC的产电性能，以及分析电子传导和离子传递的欧姆阻力大小，确定L-MFC最优的集电方式；然后进行了填料电极微生物燃料电池的内部流态分析，即采用示踪试验的方法，对 L-MFC系统的实际水力停留时间做出准确的测定，同时分析其内部的流态及影响因素。最后设计并搭建出由3个阳极3个阴极构成的堆叠型L-MFC，利用极化曲线的测试考察循环间歇流模式不同供电方式下MFC的产电性能，探讨堆叠型L-MFC在并联供电时出现的反极现象，比较不同COD浓度下MFC并联供电和五电阻单独供电时的产能差异以及连续流模式下这两种供电方式的库仑效率和COD去除负荷，此外通过水头测试分析MFC各极室的电极堵塞状况。通过以上试验研究得到的主要结论如下：（1）0.3mm20目的钛网由于表面氧化膜的影响导致其导电性比相同规格的纯钛下降42.4%；0.45mm20目的钛网与电极的接触面积最小，因而其接触电阻最小，仅为0.6Ω；并联集电时的L-MFC的产电效果最好，最大功率密度达到了34.62FC的欧姆阻力中，电子传导阻力一般大于离子迁移阻力，而电子传导阻力的主要是集电材料与电极的接触阻力。（2）对于活性炭电极L-MFC的实际水力停留时间的测定，采用以氯化钠为示踪剂的示踪试验的方法是合适的；当进水流量为0.75、1、1.5和2L/min时，L-MFC的实际水力停留时间分别为16.61、11.8、6.18和4.64min，而理论停留时间分别为6.9、5.2、3.5和2.6min，二者之间的差异是由于理论值采用定值孔隙率得到，而L-MFC电极孔隙间的传质并不是均匀分布的；E（t）曲线的比较可得知，填料电极L-MFC的内部流态属于介于平推流和完全混合流之间的多孔介质的非均匀流态，且进水流量越大，E（t）函数的方差σ2越小，水流的混合流动程度越小，流态越接近平推流。