单室微生物燃料电池的电极优化及应用研究-建筑与土木工程专业论文.docx

Study on electrode optimization in Single-chamber Microbial Fuel Cells A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Li Huihui Supervisor：Prof. Yang Shengke Chang’an University, Xi’an, China 论文独创性声明 本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独 立进行研究工作所 取得的成果。除论文中己经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明 的其他个人或集体已经公开发表的成呆。 本声明的法律责任由本人承担 。 论文作者签名:每公-t 201 年 6 月 ( 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校 。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利 。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为长安大学。 (涉密论文在解密后应遵守此规定) 乍者签名:冬今呈 阳名:机叫 汕{i 年 4 月 1日 川年 j 月 1 口 i i PAGE PAGE vi 摘 要 微生物燃料电池（Microbial Fuel Cell，MFC）是一种利用产电微生物的催化作用将 有机物中所含的化学能转化为电能的装置。该技术可以作为一种新型的废水处理方式， 在处理废水的同时产电。目前，关于微生物燃料电池的研究还不成熟，微生物燃料电池 技术的发展仍然有许多问题亟待解决。其中，阻碍该技术商业化和实际应用扩大化的两 大问题是产电性能差和成本高，而电极材料则是决定 MFC 产电性能和成本的关键因 素。如何通过对阴阳极材料修饰优化来提高 MFC 的整体产电性能显得尤为重要。 本文以单室微生物燃料电池为基础，以石墨烯和聚苯胺为修饰材料，分别对 MFC 的阴阳极进行修饰优化，探讨了阴阳极的修饰优化对 MFC 产电性能的影响。在电极优 化的基础上，对单室 MFC 降解土霉素进行了初探。本论文的研究结果概括如下： （1）采用浸渍法制备了石墨烯/碳布电极（G/CC）、聚苯胺/碳布电极（PANI/CC） 和聚苯胺-石墨烯/碳布电极（PANI-G/CC），并对其进行了线性扫描伏安法（LSV）和电 化学阻抗谱(EIS)测试。测试结果表明，碳布电极经石墨烯-聚苯胺修饰后，氧气还原催 化活性增大，活化内阻显著降低。将 CC、G/CC、PANI-G/CC 电极分别装配到自制的单 室 MFC 阴极中运行，得到 PANI-G/CC 阴极 MFC 的最大功率密度 8.48 mW/m2，分别是 CC 阴极 MFC 和 G/CC 阴极的 3.2 倍和 1.7 倍。说明石墨烯-聚苯胺修饰阴极可提高单室 MFC 的产电性能，且效果优于石墨烯单一修饰。 （2）用磺化酞菁钴（CoPcSO4）催化剂修饰四种不同电极，研究其对单室 MFC 产 电性能的影响。研究结果表明，相较于其他三种电极，Co-PANI-G/CC 电极的氧气还原 催化性能更好。Co-PANI-G/CC 阴极 MFC 的最大功率密度 32.2 mW/m2，分别是 Co-G/CC 阴极 MFC 和 Co-PANI/CC 阴极 MFC 的 1.8 倍和 1.7 倍，比 Co-CC 阴极 MFC 提高了 6.1 倍。说明磺化酞菁钴-聚苯胺-石墨烯复合修饰阴极可以显著提高单室 MFC 的产电性能， 是一种简单有效的阴极修饰方法。 （3）采用石墨烯和聚苯胺进一步修饰单室 MFC 阳极，得到 PANI-G/CC 阳极 MFC 的最大功率密度 84.2mW/m2，分别是 CC 阳极 MFC 和 G/CC 阳极的 2.5 倍和 1.7 倍。 PANI-G/CC 阳极 MFC 的内阻为 266Ω，分别比 CC 阳极 MFC 和 G/CC 阳极 MFC 减小 了 34% 和 21%。说明石墨烯-聚苯胺修饰阳极可减小 MFC 的内阻，从而进一步提高单 室 MFC 的产电性能，且效果优于石墨烯单一修饰。 （4）以不同浓度的土霉素（25mg/L，50 mg/L，100 mg/L，200 mg/L）和 500mg/L 的葡萄糖的混合物为燃料，构建单室 MFC 体系。研究了不同浓度的土霉素对单室 MFC 的产电性能及其对土霉素降解效果的影响。研究结果表明，随着土霉素浓度的增加， MFC 的产电性能和降解性能逐渐下降。当土霉素浓度小于 50mg/L 时，运行时间为 5 天时，土霉素和 COD 的降解率均在 90% 以上。单室 MFC 对土霉素的降解过程符合一 级反应动力学