硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展

硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第1页!微生物燃料电池是一种利用微生物作为催化剂，将燃料中的化学能直接转化为电能的生物反应器，它是在生物燃料电池的基础上，伴随着微生物、电化学及材料等学科的发展而发展起来的。微生物燃料电池发展简史硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第2页!基本原理微生物燃料电池以附着于阳极的微生物作为催化剂，降解有机物（葡萄糖，乳酸盐，醋酸盐等）产生电子和质子。电子传递到阳极，经外电路到达阴极，由此产生外电流；质子通过分隔材料（质子交换膜PEM或盐桥）或直接通过电解液到达阴极，在阴极与电子、氧化物（铁氰化钾、氧气等）发生还原反应，从而完成电池内部电荷的传递。图1.1是典型的双室MFCs（由PEM分隔）及其工作原理示意图。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第3页!硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第4页!单室空气阴极MFC的构造及运行本实验设计的ACMFC为一定制的长方体有机玻璃容器，如图2.1所示，有效部分尺寸为5cm(径)×5cm(直径)×(π/4)×3cm(宽)。一侧密闭另一侧开孔，孔尺寸3cm(径)×3cm(径)×(π/4)。阳极采用普通碳布（比较阳极时改用特定阳极材料），阴极采用载铂碳纸（载铂0.35mg/cm2，购于大连化物所）（比较阴极催化剂时改用特定阴极材料）。用螺丝将阳极夹入密封侧；阴极夹入开孔侧，确保催化剂一侧朝向电解液；用导线引出。阳极有效面积为20cm2，阴极有效面积7cm2。为防止渗水，电极周围用703胶（江苏省）密封。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第5页!对搭建好的电池进行紫外灭菌，再用无菌生理盐水冲洗。随后加入培养至稳定生长期的SRB菌液，排尽空气，加塞密封。外电路接1kΩ定值电阻，监测外电路电压随时间变化规律。随后以灭菌过的培养基作为模拟废水启动电池，跟踪放电电压随时间的变化。电池运行在30℃空调室内进行。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第6页!图2.2厚碳布刷电极硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第7页!图2.3双微生物燃料电池装置硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第8页!阳极及阴极材料制备及运行条件1阳极材料聚苯胺/二氧化钛的制备2以FePc为催化剂的阴极材料的制备3以MnO2为催化剂的阴极材料的制备4比较阳极材料的运行条件5比较不同催化剂阴极材料的运行条件硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第9页!2.在二氧化钛表面合成聚苯胺：先配制0.1mol·L-1的HClO4溶液500ml，得溶液A；以溶液A为溶剂配制0.2mol·L-1的过硫酸铵溶液100ml，得溶液B；同样以溶液A为溶剂配制0.1mol·L-1的ANI溶液100ml，得溶液C，在溶液C中加入1.24gTiO2。将溶液B滴加至溶液C中，滴完后继续搅拌200min，全程冰水浴。后过滤洗涤，60℃下干燥24h。即得到聚苯胺/二氧化钛复合体。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第10页!2以FePc为催化剂的阴极材料的制备1.称取1.5gFePc(sigma)，用98%浓硫酸溶解；加入3g石墨粉，搅拌均匀后，倒入冷水中。2将所得溶液磁力搅拌20h后，抽滤，用蒸馏水洗涤至中性。随后60℃下干燥24h。3将所得粉末研磨后，在氩气保护下800℃高温处理2h。氩气中冷至室温。4将所得催化剂混合物与PTFE按4:1混合，加异丙醇分散。超声30min。5最后将所得混合物涂至防水碳布(090，Toray)上。350℃热处理0.5h。得阴极。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第11页!4比较阳极材料的运行条件为尽可能吸附更多细菌，所有阳极经紫外灭菌后，入菌液中浸泡一周。随后取出作为阳极构建单室空气阴极MFC。选用FePc为催化剂的阴极，以稳定生长期的SRB菌液为电解液。观察开路电位随时间的变化。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第12页!1.碳纸阳极最高OCP为781mV；聚苯胺/二氧化钛阳极最高OCP为617mV；2.碳布阳极最高OCP为572mV。碳纸阳极的阻值比其他两种阳极材料小很多，说明碳纸是最佳的阳极材料。3.聚苯胺/二氧化钛阳极表面多孔，但孔径过小，不利于细菌吸附。4.FePc催化剂阴极的最大外电压为405mV，约为MnO2的2倍，而无催化剂时的外电压极低，仅34mV。说明阴极催化剂对于电池产电在尤为重要，金属大环FePc作为催化剂显示了很好的催化效果。结论硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第13页!硫酸盐还原菌制成燃料电池硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第14页!图2.1单室空气阴极微生物燃料电池装置（从左到右为：阳极、阴极、侧面）硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第15页!双室MFC中碳布刷电极的构造双室MFC中阳极和阴极采用同样设计。制作参照文献27，但有所不同。文献中阳极是将碳纤维在Ti丝上绞成刷子。本实验直接将厚碳布折叠后用Ti丝夹紧，再将碳布外侧按一定间距剪开，成型后如图2.2所示。该电极与文献27中电极相比，具有更大的比表面积，更利于细菌吸附。为缩短电池启动时间，在构建电池前，将紫外灭菌过的电极在相应菌液中浸泡一周。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第16页!双室MFC的构造及运行本实验设计的双室微生物燃料电池为一长方体有机玻璃容器，如图4所示，有效部分尺寸为5cm(直径)×5cm(径)×(π/4)×5cm(宽)×2。长方体左边为阳极室，右边为阴极室，中间以质子交换膜(Nafion117，Dupont)隔开。电池两侧及中间质子交换膜由螺丝固定。为防止渗水，电池夹板处和质子交换膜周围都以703胶密封。见图2.3。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第17页!电池搭建好后，在阳极室中加入培养至稳定生长期的SRB菌液，在阴极室中加入培养至稳定生长期的TD菌液，排尽空气，加塞密封。先监测开路电位随时间变化规律。后在外电路接1kΩ定值电阻，观察外电路输出电压。电池运行在30℃空调室内进行。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第18页!1阳极材料聚苯胺/二氧化钛的制备1.以溶胶凝胶法制备纳米二氧化钛：配制0.2mol·L-1的(NH4)2TiF6溶液100ml和0.6mol·L-1的H3BO3溶液100ml，等体积混合后于磁力搅拌器上充分搅拌，搅拌过程中加入少量锐钛矿型TiO2粉体作为结晶诱导体，继续搅拌30min。用盐酸和氨水调节反应溶液至pH=2。35℃恒温沉积6h后过滤洗涤，60℃下干燥12h。即得到二氧化钛粉末。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第19页!3.电极制作：将聚苯胺/二氧化钛（粉末）和聚四氟乙烯乳液(60wt.%，Teflon)按质量比3:1混合，以异丙醇调匀。将该糊状混合物在压片机上压成膜；后将两片膜夹集流材料镍网在10Mpa压力下压成电极。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第20页!3.以MnO2为催化剂的阴极材料的制备MnO2阴极制备方法如下：1将市购MnO2与石墨、PTFE按65:20:15混合，同样以异丙醇分散。超声30min。2将所得混合物涂至防水碳布(090，Toray)上。350℃热处理0.5h。得阴极。硫酸盐还原菌制成燃料电池的研究进展共23页，您现在浏览的是第21页!5比较不同催化剂阴极材料的运行条件为减小阳极过程对电池产电效果的制约，选用无菌碳布，即经紫外灭菌未浸泡菌液的普通碳布作为阳极构建单室空气阴