论文部分内容阅读
微生物燃料电池（MFC）作为新型的水处理技术,能实现污染物高效处理的同时进行能量回收,并将其转化为电能。因此,发展MFC技术对污水处理意义重大。电极作为微生物富集和电子传递的主要场所,是决定MFC生物电催化性能和成本的重要因素之一。因此,开发廉价易得的电极是推进可持续发展的关键。近年来,丝瓜络、木棉、蚕茧等天然生物质材料被先后制备成MFC电极,并获得了较高的产电能力。然而,目前发现的天然生物质来源的电极材料在宏观构型、微观形貌、催化性能、材料来源等方面存在一定的缺陷。因此,需要开发新型、高效的天然生物质来源的电极材料,以进一步推动MFC的可持续发展。针对以上问题,本研究基于宏观构型、微观形貌、催化性能和材料来源这几个方面的标准,筛选得到了两种天然生物质材料（水绵和椴木）作为MFC电极制备原料。通过简单的制备方法将这两种材料制备成高性能的三维多孔碳基电极。我们对这两种电极材料物理化学性质、在MFC中的产电能力以及生物电催化性能进行了分析,并深入研究了这两种电极材料增强MFC产电性能机制。本文研究成果主要归纳如下:（1）利用来源广泛的生物材料水绵（Spirogyra）制备高性能MFC电极材料。并对其物化特征、催化性能及机制进行了研究。以水绵丝为原料,通过制备过程优化,合成了数十厘米长的导电性好、表面高度褶皱,且表面具有均匀碳纳米颗粒的带状碳纤维。进而,利用水绵碳纤维组装构建了三维碳电极,并成功运用于MFC。水绵电极MFC（纯菌）的最大输出电压约为335±20 mV,分别是碳毡电极（CF）和碳布电极（CC）MFC最大输出电压的1.5倍和2.5倍。水绵碳电极混菌MFC的最大功率密度达到为2385 mW/m2,质量功率密度为53.2 mW/g,显著优于其他天然来源生物质材料电极。进一步研究发现:一方面,由于水绵纤维高的比表面积和生物兼容性,大幅提高了电极生物膜的细胞量;另一方面,由于水绵纤维表面特殊的微纳结构,强化了水绵纤维与细胞表面高效的相互作用,实现了细胞/电极之间的直接电子传递。因此,水绵电极在MFC中表现优于其他天然材料或商用碳电极,表明水绵可作为较优的新型天然电极材料。（2）基于椴木天然的三维大孔构型,通过优化预处理以及高温碳化法制备了机械强度高、导电性能好、具有三维分级多孔结构的碳电极材料,并对其在MFC中的生物电催化性能和EET机制进行研究。本研究通过优化预处理条件,选用了H2O2-HAC水热反应法结合高温碳化法将椴木材料制备成三维多孔碳电极。此电极由不同大小的中孔交联形成,并且这些中孔内壁存在很多微孔,导致孔与孔之间相互连通,增加了材料的比表面,同时也提高了EET效率。因此,三维椴木电极使MFC性能较传统商用碳电极大幅提高:混菌MFC最高电流密度达到5800 mA/m2,最高功率密度达到了3040 mW/m2,分别是碳布、碳毡电极的2.3倍和1.8倍左右。同时,椴木具有良好的机械强度和加工性能。因此,椴木也可以作为高性能MFC电极材料。（3）为了进一步提高天然三维电极的性能,本论文研究了不同的修饰方法对椴木碳电极MFC产电能力的影响。通过比较研究发现,利用石墨烯自组装三维复合法对椴木碳电极进行修饰可以有效提高电极的催化活性,MFC的产电能力显著增强,功率密度与未修饰椴木电极相比提高了3.2倍。自组装形成的石墨烯与希瓦氏菌复合物包裹椴木电极三维结构,不仅电极比表面积增大,并且疏松的结构有利于底物的扩散和黄素类电子中介体的富集。氧化石墨烯经过希瓦氏菌的还原作用还原后具有良好的导电性,增强了电子在细胞与电极间的高效传递。