环境因子对微生物燃料电池中硝基酚降解的影响研究(3)
时间:2018-11-26 11:21 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
1.1.2 环境因子 影响MFC性能的环境因子有许多，如温度、pH、TDS等。本实验主要讨论TDS的影响。 MFC内部含有两个电荷流，其中一个是由阳极流向阴极的电子流，另一个是用来补偿电极电子流的离子流。所以MFC的欧姆损失可分为两种：①电子通过电极、导线和内部连接点时的欧姆损耗；②离子通过膜、阳极和阴极时的欧姆损失。 MFC处理废水的过程中，阳极组成主要是被处理的废水，因此阳极电导率由废水的电导率决定。用电压损失表征能量损失。溶液中的电压损失（∆Es）由电流密度（I）、离子传递距离（L）和溶液电导ρs决定，电压损失按欧姆定律计算如下： ∆Es= I•L/ρs 由于阳极的电导率是由废水决定的，因此阳极离子传输的阻力取决于所使用的废水类型。在实验室的MFC中，所使用的人工模拟废水具有较高的电导率（＞5mS/cm），所以电压损失较低[7]。 因此，在整个处理过程中，电导率（或盐度，以TDS计）对微生物燃料电池系统运行及污染物降解过程均有影响，对其进行研究有重要意义。 1.2 微生物燃料电池阴极概述 由于发生在阴极上的反应不易控制，所以阴极的设计是MFC的重要环节。催化剂不仅需要均匀包裹于电极表面，又必须暴露在水和空气中，以便于让质子和电子从液相和固相同时到达。除空气阴极MFC外，研究员们又开发了含液态阴极，常见的有铁氰化物或高锰酸盐的阴极电解液。当前相对较经济的阴极电极是以微生物作阴极催化剂，也就是生物阴极MFC。 1.2.1 微生物燃料电池阴极类型 （1）空气阴极 关于空气阴极构型性能的研究，现阶段中已经有了很多的研究成果。利用空气中含有的氧气作为电子受体，空气中的压强分布是反应的主要推动力。因为在空气阴极MFC中，溶液为阻碍离子传输的主要因素，所以可以不设立质子交换膜（PEM），让 电子直接进行定向迁移。 空气阴极有一个最大的优点，就是可以不用定期向阴极内更换电解液，操作易行，是真正意义上的可持续性MFC。可是这种MFC要添加金属Pt作催化剂，又大大的增加了MFC的成本投入。 （2）可溶性电解液阴极 MFC可以分为有膜和无膜两种形式的反应器。双室反应器通常是有质子交换膜的，能够使用曝气或者液体氧化物作为阴极电子受体。当电子受体为液态氧化物时，由于阴极还原反应是在固液界面上发生的，传质阻力比较小，能够高效地传递电子，因此可以使系统性能更加稳定。 经典的双室MFC是以铁氰化钾为阴极电子受体，它本身并不能保证很高的功率产出。但与在阴极使用氧气作为电子受体的系统相比，它确实增加了一定的功率输出。它还具有一定的局限性，主要是由于它的毒性。张金娜[8]研究发现，高锰酸钾理论上 比铁氰化钾更加适合做阴极电子受体，那是因为它具有比较高的氧化还原电位，而且能够输出更高的功率密度，同时还不会对环境造成二次污染。 （3）生物阴极 生物阴极与非生物阴极相比，不需要使用贵金属或人工电子介体作为催化剂，避免了阴极催化剂费用昂贵、对环境造成毒害从而要经常更换等问题，降低了使用成本，并且增强了MFC的稳定性。同时在生物阴极系统中，还可利用微生物的新陈代谢作用产物增加更多的价值，或者除掉不想保留的化合物。生物阴极分为空气、厌氧（缺氧）阴极以及好氧的生物阴极[9]。 1.2.2 生物阴极 MFC 的阴极是还原反应的发生场所，也是整个系统的重要部分，传统的非生物型阴极，通常情况下氧气是电子受体，为了提升氧气的还原效率，就要在阴极加入催化剂促进反应，催化剂多是一些贵金属元素（如 Pt）。随着研究的进一步进行，这些催化剂慢慢凸显出来种种弊端，为了解决它们的不足，科研人员开始了生物阴极的研究。生物阴极的阴极室里有特定功能的微生物，它们能够附着在电极表面，从而形成生物膜，微生物通过电极传递给的电子，发生相应的生物电化学反应。生物阴极分为两种，好氧生物阴极与厌氧（缺氧）生物阴极[10]。 (责任编辑：qin) |