微生物燃料电池毕业设计论文(编辑修改稿)

微生物燃料电池毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

两瓶型 MFC、柱状 MFC、堆叠型 MFC 电池组等（ Logan etal., 2020）。 微生物燃料电池的关键问题 MFC 作为一种具有良好前景的新型水处理技术，最近 10 年经历了快速发展。 但是，除了个别以实际污水作为处理对象的中试报道之外，绝大部分研究仍停留在实验室水平。 首 先，从能量产出方面， MFC 的功率密度比常规的化学燃料电池低三个数量级（张培远， 2020）。 与相对较为成熟的厌氧产甲烷工艺相比， MFC 的能量产出密度同样有一定差距。 因此，早期的 MFC 研究主要关注功率密度的提东北电力大学学士学位论文 6 高。 为此研究者开发了许多高性能同时也是高成本的材料。 但是，随着 MFC 的发展，实用化的呼声使研究者开始关注到成本问题。 在相同的处理能力下，目前实验室内的 MFC 单位体积的装置造价是常规水处理工艺的几倍甚至几十倍，其经济性远低于实用化的要求。 因此，功率密度低和成本高成为限制其发展的关键问题，也成为近 10 年研究者关注的热点。 （ 1）功率密度低 根据电池的一般原理，其最大输出功率 Pmax由开路电压 E 和内阻 Ri 决定： 当 MFC 阳极电子供体和阴极电子受体确定后， E 也就确定了因此功率密度低的原因在于内阻较高。 从内阻产生机理的角度 MFC 的内阻可分为三个部分：欧姆内阻、活化内阻以及传质内阻（ Logaal., 2020）。 欧姆内阻由两部分组成。 一部分是电子在电极材料中传递的阻（ Re）。 根据欧姆定律， Re 与电极材料的电导率有关，也与电子在电极材料中传递的距离和传递通道的截面积有关。 其中 Re 与电导率和传递通道的截面积呈负相关的关系，与传递距离呈正相关关系。 第二部分是质子在溶液中的传递及穿过分隔材料时所遇到的阻力（ Ri）。 它与溶液中电解质的种类与浓度、质子传递距离（电极间距）、传递通道的截面积（通常等于分隔材料的面积以及分隔材料的特性有关。 Ri 与溶液电导率和传递通道的截面积均呈负相关关系，与质子传递距离和分隔材料在溶液中对离子的阻力呈正相关关系。 欧姆内阻在 MFC 运行过程中不会随电流的变化而变化。 对于实验室内所采用的小型反应器而言，由于电极尺寸小，而且阴极液和阳极液中添加了浓度较高的磷酸盐 缓冲体系，因而欧姆内阻在总内阻中的比重并不高。 但是，在大型 MFC 中，欧姆内阻在总内阻中的比重将显著提高。 这一点将在后续章节中详细阐述。 活化内阻的产生是由于在 MFC 产电过程中阳极氧化反应和阴极还原反应的发生会导致一定的能量损失（ Logan， 2020）。 在数值上，将产电过程中活化内阻所导致的输出电压低于开路电压的这部分电压降除以电流即为活化内阻，它表示阴阳极反应过程中所表现出的阻力。 对于阳极和生物阴极而言，其活化内阻的大小与产电微生物的数量和种类有关。 首先，产电微生物的数第 1 章 绪 论 7 量越多，阳极的活化内阻就越小（ Weietal., 2020）。 其次，活化内阻与高效产电微生物所占的比例也呈负相关关系。 而目前研究者对于产电微生物的认识依然非常有限。 目前已知的阳极产电菌属如 Geobacter（ Holmesetal., 2020）和 Shewanella（ Logaal., 2020）具有较高电化学活性。 但通常由于实验中所采用的底物组成较为复杂，或者产电菌的接种源为混合菌种，因而 MFC 中的微生物群落具有多样性，其中直接与产电有关的微生物数量有限，从而使整个产电生物膜的活性不够高。 在 MFC 中，产电 微生物的生长环境同时 受到电极表面特性和基质的影响。 当处理对象（基质）确定后，单位体积内电极表面积的大小和电极的表面特性分别决定了产电微生物的附着面积和生物膜厚度，因而成为影响生物量的重要因素。 对于化学阴极而言，其活化内阻与催化剂的种类有关，目前已知 Pt 是性能较好的一种阴极催化剂但 由于其价格较高，不宜大量应用。 由于溶液在生物膜表面存在边界层，因此传质内阻主要由电极反应的反应物和产物在边界层中的传递阻力引起。 传质内阻在基质浓度高、电流较小的情况下并不明显。 在电流较大的情况下，传质内阻可能会成为限制 MFC 性能的重要因素。 （ 2）成本高 近年来，研究者通过优化 MFC 构型、使用高性能材料使其电性能有了显著提高。 但对于其成本的关注相对较少。 传统化学阴极 MFC 以贵金属 Pt 作为阴极催化剂，虽然获得较好的产电性能，但 Pt 高昂的成本使 MFC 的总体成本过高，无法大规模应用。 其中阴极成本占 MFC 总成本的 90%以上。 为了降低阴极成本，研究者利用微生物（生物阴极）或廉价非 Pt 催化剂代替 Pt 来催化阴极还原反应。 但是，在阴极成本降低后，目前 MFC 的造价依然较高。 据估算，同样去除 1kgCOD，空气阴极 MFC 的装 置成本是常规厌氧产甲烷装置的 40 倍（ Rozendaletal., 2020）。 在容积相同的情况下，笔者实验室中所采用的不同类型的生物阴极 MFC 成本比常规的活性污泥法水处理装置均高出至少 1 个数量级。 因此，从实用化的角度来看，目前 MFC 成本过高的问题尤为突出。 MFC 的成本主要来源于电极材料、分隔材料以及集电材料三部分。 其中电极材料的成本占到了总成本的一半以（ Rozendaletal., 2020）。 由于电极材料本身要求具有良好的导电性、生物相容性、机械强度以及化学稳定性等多方面特性，因此其东北电力大学学士学位论文 8 选 材受到了较大的限制。 满足上述要求的材料通常成本较高，无法大规模应用，成本较低的电极材料往往无法完全满足以上要求，故需对其加以改性以提高其性能。 对于分隔材料方面，价格昂贵的质子交换膜已被离子交换膜所取代，成本下降，但由于使用量较大，其成本依然相当可观。 此外，为了推进其实用化， MFC 逐渐向大型化发展，具有良好耐腐蚀性金属集电材料必不可少，这势必进一 步增加单位体积的 MFC 装置造价。 微生物燃料电池的发展方向 在 MFC 发展的初期，研究者主要关注对产电机理的探索及功率密度的提高。 近年来随着 MFC 技术逐渐向实用化方向发展，成本降低和装置放大成为新的研究方向。 此外，除产电以外的各项新功能也不断被研究者开发出来，同样成为研究热点之一。 （ 1）提高功率密度 从前面的分析可以看出，内阻是影响 MFC 产电功率的重要影响因素，提高功率密度的核心在于降低内阻。 针对内阻的三个组成部分（欧姆内阻、活化内阻、传质内阻），研究者分别开展了一系列的研究工作。 为了降低离子传递的阻力，研究者开发了“三合一”型 MFC 以便将电极间距降到最低（曹效鑫等 , 2020）。 降低电子传递阻力的主要途径是使用导电率高的电极材料。 由于碳材料的导电性通常远低于金属材料的导电性，因此对于采用碳材料作为电极的大型 MFC，在电极中耦合金属集电材料是降低电子在碳材料中的传递距离，从而降低欧姆内阻的有效途径。 在未来 MFC 向大型化发展的过程中，如何将电极材料与集电材料进行有效的耦合，从而降低大尺寸电极的整体电阻是未来研究工作的一项挑战。 （ 2）降低成本 与提高产电功率相比，降低成本对于推进 MFC 的实用化具有更为重要的意义。 随着 MFC 逐渐由实验室小试走向实用化，越来越多的研究者在开发新材料的同时开始关注成本问题。 低成本材料的开发主要集中 在电极材料和分隔材料两方面。 由于电极材料的成本在 MFC 成本组成中所占的比重最大，因此开发廉价高效的电极材料成为降低 MFC 成本的关键。 关于电极材料的研究进展及未来发展趋第 1 章 绪 论 9 势将在“ 电极材料及构型中做详细阐述。 与电极材料相比，目前关于分隔材料的研究相对较少。 针对空气阴极 MFC，研 究者 开发 出了 价格 低廉 的且 性能 优良 的超 滤膜 和玻 璃纤 维织 物（ Zhangetal.,2020b, Zuoetal., 2020）。 对于生物阴极 MFC 而言，目前离子交换膜被广泛采用，由于其用量较大，故有必要寻找更廉价的替代 品。 从目前 MFC 的整体造价来看，生物阴极型 MFC 具有一定优势。 但是从运行成本、功率产出和水处理效果方面进行综合考虑，生物阴极型 MFC 与空气阴极型 MFC 各具优势。 生物阴极型 MFC 不仅可以利用阴极实现脱氮功能，而且可以利用好氧生物阴极对阳极出水中的 COD 进一步降解，提高出水水质。 空气阴极型 MFC 的优势在于不需要主动曝气，同时产电功率密度更高。 （ 3）体积有效放大 目前 MFC 的研究还主要停留在实验室阶段，实验室内 MFC 小试装置体积范围从微升到升，大多集中在几十毫升到几百毫升，反应 器体积超过 1L 即视为大型反应器。 目前全世界只有澳大利亚昆士兰大学和美国宾州州立大学分别建成了MFC 产电和 MEC 产氢的中试装置，但其性能及长期运行稳定性未见报道。 要实现 MFC 的工程化应用，必须对 MFC 装置进行有效放大。 所谓有效放大，即产电功率密度和库仑效率等指标不能随 MFC 体积的增大而显著降低其关键在于：①将电极材料与高电导率的集电材料进行有效耦合，减小电极产生的欧姆阻力。 因此，放大过程中腔体构型和电极的设计成为未来 MFC 研究领域的热点；②保证腔体内流态均匀，避免死区出现，确保电极 表面微观上的传质效果。 此外，大型 MFC 长期运行的稳定性和电能的收集利用方式也开始被研究者所关注。 电极材料及构型 如前所述，电极是 MFC 中决定其性能和成本的最为关键部分。 为了提高 MFC 的产电性能、降低成本，研究者开发了大量新材料和新构型。 从 MFC 的结构或电极反应上区分 MFC 的电极分为阳极和阴极。 而根据 MFC 电极反应是否 需要微生物的参与， MFC 的电极又可以分为生物电极（包括阳极和生物阴极）和化学电极（包括空气阴极和以铁氰化钾为电子受体的阴极等）。 电极不仅是微生物和化学催化剂的 载体，还是电子传递的导体。 因此电极材料东北电力大学学士学位论文 10 需要具有良好的导电性、电化学稳定性、较高的机械强度以及低廉的成本。 目前碳材料和金属材料是应用最为广。