氮修饰阳极微生物燃料电池产电特性研究.doc

-范文最新推荐- 氮修饰阳极微生物燃料电池产电特性研究 摘要采用碳布作为MFC(Microbial Fuel Cell，简称MFC)的阳极材料，分别以含氮化合物HNO3、NH4NO3、NH3•H2O为电解质，利用电化学氧化法（电流为10mA，处理1h）对其进行表面处理。启动MFC，考察MFC的产电特性。结果表明：阳极的改性具有提高了MFC性能的作用。HNO3处理后功率密度达到了62mW•m-2，比改性前的（39 mW•m-2）提高了59%，硝酸铵和氨水处理的MFC的功率密度分别比未处理的MFC提高了41%和5%。通过SEM分析发现，处理后材料表面的粗糙度增加了。通过对碳布的红外光谱测试，发现改性后的碳布中引入了一些含氮官能团。电化学蚀刻作用和含氮表面官能团的引入可能是处理提高MFC性能的主要原因。11993关键词微生物燃料电池 阳极改性 电化学氧化 产电特性毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleStudy of the performance of the microbial fuel cell with the anode modified by nitrogenous compoundsAbstractCarbon cloth was used as the anode material of the Microbial Fuel Cell (MFC). Electrochemical oxidation method (10mA, 1h) was selected to modify these anode surfaces with these nitrogenous compounds that HNO3, NH4NO3 and NH3•H2O as the electrolyte separately. The MFC was started the electrical performance of the MFC was measured. The results showed that the modified anode could improve the performance of the MFC. Power density of the MFC with the anode modified by HNO3 reached 62mW•m-2, which improved 59% than the MFC with untreated anode (39mW•m-2). Power density of the MFC with the anodes modified by NH4NO3 and NH3•H2O improved 41% and 5% respectively. The surface roughness of the modified material increased by SEM analysis. Based on the infrared spectra of carbon cloth, some functional groups containing nitrogen was introduced in the modified carbon cloth. The results showed that electrochemical etching effect and the introduction of nitrogen-containing surface functional groups may be the main reasons for improving the performance of MFC with the modified anode. 3.2.3改性阳极的制备163.2.4改性阳极的筛选173.2.4.1测试内容173.3氮修饰阳极MFC的启动与分析183.3.1MFC的启动183.3.2改性对产电性能的影响193.4氮修饰MFC阳极材料原理探索203.4.1SEM分析203.4.2红外光谱分析213.4.3改性机理分析23结论24致谢25参 考 文 献261绪论1.1研究背景人们每天有节奏、有规律地生活着，也许有人会问，是什么让我们的生活如此美好呢？也许有人会回答说，“是金钱让我们的生活变得舒适而又方便快捷。”但其实不是，金钱只是一种货币符号，没有实在使用价值。事实上，是能源改变了我们的生活，能源是社会经济发展和人类生活的物质基础。从原始时期的钻木取火，到化石燃料即煤、石油、天然气的利用，再到电能、风能、水能以及核能出现，能源经历了一个相当漫长的发展过程，不同形式的能源每天为人们生活的各个方面服务。尤其近几十年来，世界经济和我国经济都得到了飞速发展，人们的平均收入也有了很大提高。然而，这种经济的高速发展是以消耗大量不可再生能源为代价的。当前全世界的主要能源仍然是煤炭、石油以及天然气。石油、天然气资源将在2050年前被罄尽的看法已被公认，世界上煤炭资源尚能满足100-200年需求，但是其低碳排放的清洁利用技术还需花力气开发1。图1.1表示1930年以来发现的石油储量、已开采消耗的量、有待发现的石油及其代用品量2（注：1桶=42加仑）。由该图可知，1930年以来，人类累计发现的石油很快就会耗完。 我国缺水同时，我国水域普遍受到不同程度的污染，大大降低了水资源的利用率。我国水污染的总体趋势为：工业污染结构性问题明显。主要污染物集中在少数行业，纺织、化工、造纸等行业化学需氧量、氨氮排放量占全部工业排放量比例非常大，如黄河流域；饮用水水源水质安全依然面临威胁。对于不同的水源地，其超标情况不同，如湖库型主要是总磷、总氮、藻类超标；河流型主要是总磷、总氮、氨氮、CODMn、类大肠菌群、挥发酚等超标；农业源污染日益突出。根据第一次全国源污染普查结果，农业源污染排放对水资源影响极大，是我国解决水污染问题的关键点；突发水污染事件时有发生。盐城饮用水源污染、松花江污染事件、太湖蓝藻爆发等事件。所以，解决能源问题与水污染问题乃当务之急。目前，世界仍广泛采用微生物的代谢作用除去污水中的有机废物，所利用的微生物主要为好氧和厌氧两种。然而，这种方法存在着不足。其一，好氧型微生物需要消耗太多能量，运行成本昂贵。其二，传统的厌氧工艺虽然便宜，也能获得甲烷形式的生物能，但是因为甲烷无合理利用的途径将其燃烧掉而无法回收能量。MFC作为一种新型的处理废水的工艺，不仅能将废水中的有机废物转化为电能，而且水作为微生物的代谢产物，也不会对环境造成二次污染。MFC的产电特点：（1）多样化的燃料来源：它可以利用一般燃料电池所不能运用的各种有机物、无机物以及发酵产物、微生物代谢产物甚至污水等多种物质作为底物进行产电。（2）工作环境一般为常温、常压、接近中性的条件，这样使电池的安全性高，大大降低了其维护成本。（3）无污染：水是MFC的唯一代谢产物，没有CO2的排放。（4）无能量的输入：微生物能把廉价的有机物等燃料转化为电能，为人们提供能源。 图1.4MFC工作原理示意图例如硫酸盐还原菌( Sulfate-Reducing Bacteria，简称SRB)在MFC中的产电原理如下式所示：2(CH2O) + 2H2O2CO2+8H+8e-SO42-+8H+8e-S2-+4H2O阳极反应： S2-+4H2OSO42-+8H+8e-阴极反应：2O2+8e-+8H+4H2OSRB在阳极经代谢产生的S2-失去电子生成SO42-，电子通过外电路转移到阴极。O2在阴极得到电子与质子结合生成水，这就是SRB的产电原理。1.2.3MFC影响因素和发展方向从理论上说，MFC拥有较高的能量转化效率，但是实际不然，由于诸多因素的影响，导致MFC的输出功率过低，使得MFC仍处于实验研究阶段。所以，弄清楚影响MFC功率输出的因素并改善这些因素对MFC的研究具有相当大的意义。（1）底物转化率：主要指受微生物量的多少、营养物质的混合与传递、微生物生长动力学、质子传递速率等因素的影响。首先，应当保证微生物在适宜的环境下培养，以保证有足够的微生物量，例如适宜的温度、pH等条件。其次，营养物质的充分混合与有效传递，直接影响微生物与营养物质的充分接触以及代谢产物的及时输出。在微生物燃料电池阳极接种的细菌属于厌氧菌，一般的混合方法是难以达到预期效果的，有报道称，在阳极冲入氮气，可使微生物与氧气隔绝，效果良好。此外，质子的传输速率高低以及质子交换膜的优劣也直接影响着MFC的功率输出大小，选择良好的质子交换膜，提高质子的传递速率对MFC功率的提升有着举足轻重的作用。（2）电池的内阻：MFC内阻由两极之间电解质的阻力和质子交换膜的阻力（Nafion有最低的阻力），尽可能短的两电极之间的距离更利于MFC的优化。质子的转移大大影响了与阻力相关的电能损失，充分通入空气使电解质处于流动状态有助于减轻该种损失。 1.2.4MFC阳极的作用与发展现状作为MFC的重要组成部分，阳极是产电微生物的附着载体，不但影响到产电微生物的附着量，而且有着将电子引出的关键作用。因此，阳极材料的选择对MFC的产电特性有着举足轻重的作用10。然而非金属处理阳极又是当今研究的新方向，特别是氮修饰阳极微生物燃料电池产电特性研究，成为了目前研究者们的新的入手点。（1）MFC的阳极的种类。对于阳极来说，其必要条件是内部电阻小、导电性强、电势稳定、生物相容性和化学稳定性好等特点11。目前有多种材料可作为阳极：1）以碳为基本原料的碳纸、碳布、泡沫碳和玻璃电极（RVC）作MFC的阳极应用十分普遍，这些材料具有极强的导电性且适宜细菌的生长12；2）石墨碳、石墨毡、石墨泡沫、石墨板和石墨片，由于石墨电极具有高导电性和相对准确的表面积，因此它被用于多数MFC研究及其电化学的研究中13；3）石墨颗粒，该材料是由Rabaey最先使用，之后此材料又被用于填充反应器的阳极和阴极14；4）石墨刷和石墨纤维，使用石墨刷可获得最大的比表面积和孔隙率15，普通的石墨纤维都可作阳极，这取决于纤维分散状况的好坏；5）导电聚合物，这种电极在MFC研究中使用得还不多，Qiao等将聚苯胺负载在碳纳米管上，利用E.coli作为产电微生物，得到最大输出功率为42mW•m-2，最大电压达450mV，说明碳纳米管掺杂聚苯胺纳米材料在MFC上有良好的应用潜力11；6）金属和金属修饰阳极。最近几年，研究人员逐渐把目光放在了贵金属修饰阳极上，以铂-聚苯胺复合物修饰的石墨电极作MFC阳极，得出了铂具有催化活性且能提高细菌与阳极之间的电子转移能力16。哈尔滨工业大学的王昊昱等人对一些新型的阳极材料进行了研究，比较石墨镀镍导电橡胶、玻璃镀银导电橡胶、膨胀石墨和碳化钨对MFC产电特性的影响，发现碳化钨为阳极材料的MFC产电性能最好；7）非金属处理阳极17。Park等人将中性红添加到石墨织物电极中，产电细菌为Shewanella putrefaclans，底物为乙酸盐，可将功率密度由0.02mW•m-2提高到9.1mW•m-2。研究者曾尝试用过其它许多非金属材料来修饰阳极，最后发现，氮修饰阳极的微生物燃料电池的产电性能是相当显著的，其中目前最成功的方法是氨气修饰碳布电极法18。8）其他处理阳极的方法均能提高微生物燃料电池的产电性能，但从整体上看，效果还是不容乐观。下面将对氮修饰阳极微生物燃料电池做详细叙述。 Park等研究发现，在微生物燃料电池中采用厌氧污泥去培养微生物种群时所得到的MFC的输出功率是用纯种细菌培养时的6倍21。这说明污泥中含有较丰富的微生物物种，一般的生活污水或者厌氧污泥中可能都含有，所以运用MFC对各种废水进行处理的想法是切实可行的。截止到目前，研究者发现大多数可生物降解的物质都可以作为MFC中微生物的燃料，如葡萄糖、乳酸盐、乙酸盐、半胱氨酸、丁酸盐及乙醇等，还有多种有机混和物质如生活污水、海洋沉积物、牲畜废水、垃圾渗滤液、食品废水等22。MFC处理废水的运用流程如下图1.5所示23，从反应器底部由进水泵通入废水进入阳极室，室中的厌氧微生物将废水中的有机物质降解，同时把质子和电子释放到阳极上和溶液体系中。电子通过外电路而质子通过膜进入到阴极室。空气中的氧与来自阳极的电子、阴离子发生反应产生水。在此过程中，不仅从有机废水中获得了电子，同时也使BOD降低。但是，由于MFC产生的电流较微弱，目前MFC处理废水的工艺仍处于实验室阶段。图1.5MFC产电及同步废水处理示意图1.2.6文献小结虽然近些年来研究者们在电极材料的研制和处理、质子交换膜的制作等方面作了相当多的工作，但是仍然存在很多问题有待进一步解决。从阳极材料方面来看，虽然有些材料例如碳纸、碳布能获得较高的效率，但是它们的价格比较昂贵，对于实际运用相当不利。另外，为了使MFC获得较高的产电能力，难免得对阳极材料表面进行处理，然而现行的处理方法较少，有的处理方法的步骤和设备极为复杂，并非处处都可实行。所以，选择廉价的阳极材料，开发出其他简易的处理方案是将来MFC的研究方向。值得一提的是，近年来纳米技术正处于飞速发展阶段，我们都知道纳米材料具有优良的电化学性质和材料学性质，这势必使纳米材料成为MFC电极材料的一个重要的探究方向。 图2.1双室MFC反应器实物表2.1MFC构建实验材料一览表部件材料名称型号/规格主体×1mmMFC的构建：将阴极和阳极的碳布分别放入阴极室和阳极室中，用橡胶塞和钛丝将其固定，接好电极和菌种后，阳极做密封处理，以保证厌氧条件，阴极一端通入空气，盖子上开一个小孔，以保证阴极和空气充分接触。阳极和阴极都由钛丝连接，这样MFC反应器就构建好了。2.1.2MFC启动运行所需材料与药品（1）菌种。整个研究过程中所用的细菌均来自于实验室已经事先准备好的污泥，置于冰箱内待用。（2）营养液。接种的营养液组成如表2.2所示，配完后调pH至7.0。 氮修饰阳极微生物燃料电池产电特性研究(7): 15 / 15