论文部分内容阅读
微生物燃料电池(Microbial fuel cell, MFC)是21世纪环境工程领域新兴的废水处理同步能源回收技术,能在胞外产电菌的作用下将有机废物中的化学能直接转化为电能,以空气中氧气作为氧化剂的MFC称之为空气阴极微生物燃料电池(Air-cathode Microbial Fuel Cell, ACMFC)。 ACMFC常使用铂炭作为阴极催化剂使其反应器加工成本较高。为降低ACMFC的成本,开发低成本高性能的阴极催化剂成为ACMFC的研究关键。本文选取普通活性炭(AC)和超级电容活性炭(SC)两种廉价炭粉,使用硝酸(Nitric acid),尿素(Carbamide)及碳酸铵(Ammonium carbonate)三种方法对炭粉进行掺氮处理。对掺氮前后的炭粉进行旋转圆盘电极(RDE)测试,结果表明掺氮处理后的炭粉的电子转移数均提高,并且掺氮炭粉AC的电子转移数高于炭粉SC,其中经硝酸处理后的碳粉的电子转移数最高,碳酸铵处理的炭粉次之,而经尿素处理的炭粉最小。采用X射线光电子能谱分析掺氮炭粉含氮官能团的变化,发现氮氧化物及吡啶型氮是影响催化活性的主要官能团。经尿素处理炭粉对pH(pH,5～11)适用范围更广。交流阻抗表明(EIS)掺氮后阴极内阻均减小,未掺氮炭粉AC阴极内阻低于未掺氮炭粉SC阴极,尿素处理后炭粉的阴极内阻低于碳酸铵及硝酸处理后炭粉的阴极。对各炭粉阴极的ACMFC产电性能研究发现,使用乙酸钠作为底物,掺氮前订,炭粉AC阴极的最大功率密度为1470mW/m2,略高于炭粉SC阴极1390mW/m2。经尿素处理后,两种炭粉阴极产电提升均最大,尿素掺杂炭粉SC的最大功率密度为1560mW/m2,较掺氮前最大功率密度提高12.2%；尿素掺杂炭粉AC的最大功率密度为1798mW/m2,较掺氮前提高22.3%,较尿素掺杂炭粉SC提高15.3%。通过对实际生活污水的产能分析得到,其产能规律与乙酸钠进水一致,其中经尿素掺氮炭粉对实际废水库伦效率及COD的除率均较高。对阴极催化剂的成本核算得出,炭粉AC经尿素掺氮后的单位产能所需成本是掺氮前的83.1%,是炭粉SC的15.4%。因此,经尿素处理的炭粉AC不仅能够降低成本,且能够获得更高的能量输出,在处理实际废水中具有更广阔的应用前景。在ACMFC反应器中运行6d的阴极,刮去生物膜后阴极性能提高,而运行15d和30d的阴极刮去生物膜阴极性能不变,可能是随着运行时间增加,阴极生物膜会逐渐进入催化层阻塞微孔。