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阳极材料的优选及其对微生物燃料电池产电性能的影响

作　者: 王昊昱
导　师: 任南琪
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 微生物燃料电池阳极材料碳化钨膨胀石墨
分类号: TM911.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

微生物燃料电池(MFC)是近几年发展起来的一种在获取生物能源的同时达到废水处理的目的的生物电化学系统。单极室燃料电池的优点是能获得较大的功率密度,但是其库仑效率较低,这成为限制其进一步发展的重要因素。本研究中,通过尝试新型的阳极材料,以达到在获得较大功率密度的同时提高体系的库仑效率的目的。本论文中研究了新型阳极材料,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产电性能的影响,其中碳化钨填充的MFC的产电效果最优。将碳化钨填充的MFC与碳刷填充的MFC进行比较,功率密度分别为1077mW/m~2和1024mW/m~2,欧姆内阻分别为11Ω和16Ω,库仑效率分别为22.1%和18.3%,提高了15.8%。说明碳化钨作为阳极填充材料在获得较高的功率密度的同时也能获得较大的库仑效率。在阳极材料填充方式方面进行研究,比较不同填充粒径和填充度对MFC产电效果的影响。0.85～2mm、2～4mm和4～6mm三种粒径碳化钨填充时,2～4mm的碳化钨颗粒填充的MFC的产电效果最佳,获得了最大功率密度848mW/m~2和最小的内阻120Ω与欧姆内阻12.6Ω;100%填充的MFC的功率密度1088mW/m~2和库仑效率23.4%均大于50%填充的MFC的900mW/m~2和11.8%。阳极材料与填充材料复合填充时影响MFC的产电性能。当碳刷与碳化钨复合填充时,碳化钨的填充度越大库仑效率越高,功率密度越大。膨胀石墨与碳刷复合填充时的库仑效率是碳刷单独填充时的2.84倍。这是因为膨胀石墨能在极性分子中(水和乙酸)吸附非极性分子(氧气),从而减小了氧气向阳极的扩散,减少好氧微生物对底物的消耗,进而提高库仑效率。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景及意义  9-10
  1.2 微生物燃料电池的工作原理  10-12
  1.3 国内外研究现状分析  12-16
    1.3.1 MFC 的发展简史  12
    1.3.2 电化学活性微生物的研究现状  12-14
    1.3.3 阳极材料的研究现状  14-16
  1.4 课题研究的目的和意义及主要内容  16-19
    1.4.1 课题研究的目的和意义  16-17
    1.4.2 主要研究内容  17-18
    1.4.3 实验技术路线  18-19
第2章实验方法与材料  19-31
  2.1 MFC 的构建与启动  19-25
    2.1.1 实验装置  19
    2.1.2 电极材料及其制备  19-24
    2.1.3 反应器的接种与运行  24-25
  2.2 测试与分析方法  25-31
    2.2.1 输出电压采集系统  25
    2.2.2 挥发酸浓度的测定方法  25-26
    2.2.3 库仑效率的计算方法  26-27
    2.2.4 极化曲线与功率曲线的测定方法  27-28
    2.2.5 内阻的测定方法  28-29
    2.2.6 比表面积的测定方法  29
    2.2.7 循环伏安曲线分析方法  29
    2.2.8 扫描电镜（SEM）的分析步骤  29-31
第3章阳极材料对MFC 产电效果的影响及优选  31-46
  3.1 石墨镀镍导电橡胶  31-34
  3.2 玻璃镀银导电橡胶  34-36
  3.3 膨胀石墨  36-38
  3.4 碳化钨  38-45
    3.4.1 电池电位与电极电位  38-39
    3.4.2 库仑效率  39-40
    3.4.3 最大输出功率及内阻  40-41
    3.4.4 扫描电镜（SEM）观测微生物  41-42
    3.4.5 循环伏安曲线  42-45
  3.5 本章小结  45-46
第4章阳极填充方式的优化及其对MFC 产电效果的影响  46-61
  4.1 碳化钨的填充方式对MFC 产电效果的影响  46-54
    4.1.1 填充颗粒粒径对MFC 产电效果的影响  46-51
    4.1.2 填充度对MFC 产电效果的影响  51-54
  4.2 碳化钨热处理对MFC 填充效果的影响  54-55
  4.3 复合填充对MFC 产电效果的影响  55-59
    4.3.1 碳化钨与碳刷复合填充对MFC 产电效果的影响  55-58
    4.3.2 膨胀石墨与碳刷复合填充对MFC 产电效果的影响  58-59
  4.4 本章小结  59-61
结论  61-63
参考文献  63-67
攻读硕士期间发表的论文及其他成果  67-69
致谢  69

阳极材料的优选及其对微生物燃料电池产电性能的影响

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